光纤激光水听器的基本原理,国内外光纤激光水听器的研究进展以及发展趋
势
一、引言
声波是人类已知的唯一能在海水中远距离传输的能量形式。水听器(Hydrophone)是利用在海洋中传播的声波作为信息载体对水下目标进行探测以及实现水下导航、测量和通信的一类传感器。由于水下军事防务上的要求和人类开发利用海洋资源的迫切需要，水听器技术得到空前的发展。传统的水听器包括电动式、电容式、压电式、驻极体式，等等。
20世纪70年代以来，伴随着光导纤维及光纤通信技术的发展，光纤水听器逐渐成为新一代的水声探测传感器。与传统水听器相比，其最大优点是对电磁干扰的天然免疫能力。此外，光纤水听器还具有噪声水平低、动态范围大、水下无电、稳定性和可靠性高、易于组成大规模阵列等优点。现有的光纤水听器包括光强度型、干涉型、偏振型、光栅型等。其中，光纤激光水听器(FLH)就是一种光栅型水听器，但由于它的传感元件光纤激光器(又称有源光纤光栅)相比于无源光纤光栅具有高功率和极窄线宽的特点，配合上基于光纤干涉技术的解调方法，它的微弱信号探测能力相比于普通的无源光纤光栅水听器可以提高几个数量级。
压电式水听器和干涉式光纤水听器是目前应用最广泛的水声探测器件。与干涉式光纤水听器相比，压电式水听器技术更加成熟，结构和制作工艺更简单，大规模生产时一致性可以得到相对较好的控制。但是，防漏电、耐高温、长距离传输、动态范围大则是光纤水听器最大的优势。尤其在一些特殊领域(例如高温高压的深井油气勘探领域)有着比压电水听器更为广阔的应用前景。与干涉式光纤水听器相比，光纤激光水听器的最大优势在于易复用，即“串联即成阵”。同时，受弯曲半径影响，干涉式光纤水听器的体积较大，水听器直径通常大于1cm。而由于光纤激光型水听器结构简单，传感单元仅为一根光纤的尺寸，光纤激光水听器外径可细至4～6mm。当然，受光纤激光器本身弦振动及系统1/f噪声影响，加速度响应较大、低频段噪声相对较高是目前光纤激光型水听器存在的主要问题之一，有
2009年第12 期 中文核心期刊 高功率光纤激光器发展概况 Survey of high-power fiber lasers ZHANG Jing-song (Electronic communications technology department, Shenzhen Institute of Information Technology,Shenzhen Guangdong 518029,China) Abstract :High-power fiber lasers have wide applications in the filed of optical communication,printing,marking,material processing,medicine etc.High-power fiber lasers may substitute conventional lasers large-ly,have new application of laser,broaden the scope of laser industry.The history and recent development of high-power fiber lasers home and aboard are surveyed.The prospect of high-power fiber lasers is discussed.Key words :high-power fiber laser,double-clad fiber,cladding pump 张劲松 （深圳信息职业技术学院电子通信技术系，广东深圳518029） 摘要：高功率光纤激光器以其优越的性能和超值的价格，在光通信、印刷、打标、材料加工、医疗等领域 有着广阔的应用，将会很大程度上替代传统激光器，并开辟一些新的激光应用领域，扩大激光产业的规模。概述国内外高功率光纤激光器的发展历史与现状。展望了高功率光纤激光器的发展前景。 关键词：大功率光纤激光器；双包层光纤；包层泵浦中图分类号：TN248 文献标识码：A 文章编号：1002-5561（2009）12-0008-03 0引言 从1960年第一台激光器（美国Maiman 等首先用红宝石晶体获得了激光输出）问世到现在近50年过去了，激光技术确如人们所期，渗入了各行各业：通信、生物技术、医学、印刷、制造、军事、娱乐业等。在某些领域，它已经成为不可替代的核心技术。但是激光产业规模还不够大，究其原因，不是人类不需要激光，而是传统激光器不好用：成本高、效率低、故障多。 光纤激光器的出现带来了扩大激光产业规模的希望。光纤激光器激光光束质量好，电-光转换效率高，输出功率大；所有的半导体器件及光纤组件都可以融接成一体，避免了元件的分立，可靠性得到极大提高。 1国外高功率光纤激光器发展概况 光纤激光器的最早有关研究可以追溯到20世纪 60年代初期，当时激光器刚刚出现不久，人们对激光 器的研究投入了极大热情，积极研制开发各种新型激光器。1961年，美国光学公司的E.Snitzer 等在光纤激 光器领域进行了开创性的工作，他们利用棒状掺钕（Nd 3+）玻璃波导获得了波长1.06μm 的激光。 20世纪70年代，光纤通信的研究开始起步，新兴 的光纤通信系统对新型光源的需求极大地刺激了激光器的研究工作。但由于人们的注意力集中到迅猛发展的半导体激光器技术上，以及光纤激光器自身的一些当时无法克服的困难，光纤激光器的研究逐渐沉寂下来。尽管如此，仍然取得了一些值得一提的成就。例如，1973年，J.Stone 等成功地研制出能够在室温下连续工作的掺钕光纤激光器，他们采用的半导体注入型激光器终端泵浦方式对以后实用型光纤激光器的研究具有重要的意义。 20世纪80年代，英国Southampton 大学的S.B.Poole 等用MCVD 法成功地制备了低损耗的掺钕和掺 铒光纤，因为掺铒光纤光纤激光器的激射波长恰好位于通信光纤的1.55μm 低损耗窗口，人们开始认识到光纤放大器和光纤激光器在提高传输速率和延长传输距离等方面无疑将给光纤通信带来一场革命。掺铒光纤放大器（EDFA ）得到了迅速的发展并成为一项成熟的应用技术。但是，光纤通信用的光纤激光器输出功率一般都是毫瓦级，一直以来只局限于光通讯等领域；同时由于巨大的行业差距，几乎无人把它与激光 收稿日期：2009-08-31。 作者简介：张劲松（1969-），男，博士，高工，现主要从事光纤激光器、放大器等方面的研究。 ⑧
光纤水听器及阵列综述 马宏兰周美丽 （天津师范大学电子与通信工程学院） 摘要：为适应水声学应用特别是水下反潜战的需要 ,在光纤技术不断发展的基 础上 ,光纤水听器应运而生。光纤水听器是一种基于光纤、光电子技术上的新型水下声传感器 ,因其在军事、民用各领域应用广泛 ,目前光纤水听器在国内外发展迅速 ,已经到达实用状态。全光光纤水听器系统的湿端采用全光实现,信号传感与传输皆基于光纤技术。具有抗电磁干扰、重量轻和造价低等优点。文章简述了光纤水听器的发展历史、现状 ,论述了光纤水听器阵列的原理及其应用前景。 关键词：光纤水听器多路复用技术阵列 0引言：在光纤水听器的实际应用中，由于水下声场的复杂性，单元水听器很难获得目标的详细信息，因而需要将数百乃至上千个探测基元组成大的阵列，以获得更多水声场信息，通过水听器阵列完成声场信号的波束形成，实现对水下目标的定位与指向。在2003年8月下水的美国最新型攻击核潜艇上，装备的舷侧阵就由2 700个光纤水听器基元组成【1】。对于大规模的光纤水听器阵列，多达数十上百基元的光纤水听器光信号都是由同一根光纤传输的，在实际系统中，这种性能就是由光纤水听器的多路复用技术实现的。可见多路复用是光纤水听器的核心技术。 1 光纤水听器的开发 自1976年美国Bucar等人发表第一篇有关光纤水听器的论文【2】以来, 各工业发达国家的海军研究部门以及有关的研究和工业部门都在积极从事光纤水听器的研究和开发,尤其以美国最为突出。美国海军研究实验室、美国海军研究生院和Litton制导和控制公司等先后研究开发了Maeh一Zehnder、Michelson 干涉仪的光纤水听器, 主要结构有心轴型、互补型(推挽式) 、平面型和椭球弯 张式等光纤水听器。这些结构水听器达到的归一化灵敏度(△。/ 。△P）为适应水声学应用特别是水下反潜战的需要 ,在光纤技术不断发展的基础上 ,光纤水听器应运而生。光纤水听器是一种基于光纤、光电子技术上的新型水下声传感器 ,因其在军事、民用各领域应用广泛 ,目前光纤水听器在国内外发展迅速 ,已经到达实用状态。各国对光纤水听器的研究投入了大量人力和物力，技术也日益娴熟。 2、多路复用的阵列体系结构 阵列体系分为以下六大部分，其中时分/ 波分混合复用技术是其关键有效手段。 1 ) 频分复用(FDM) 【3】相位产生载波(PGC)问询的体系结构—美国海军研究实验室已用此方案对总数48 个单元水听器成网组成的阵列成功地进行了海上试验, 证实了这种体系结构的低阐值检测能力和低的串扰。 2) 时分复用(TDM) 相位产生载波问询的体系结构—美国海军研究实验室已作了10 单元的光纤水听器阵列演示, 证实了其低的光背景噪声和低的串扰。
光纤激光水听器的基本原理,国内外光纤激光水听器的研究进展以及发展趋 势 一、引言 声波是人类已知的唯一能在海水中远距离传输的能量形式。水听器(Hydrophone)是利用在海洋中传播的声波作为信息载体对水下目标进行探测以及实现水下导航、测量和通信的一类传感器。由于水下军事防务上的要求和人类开发利用海洋资源的迫切需要，水听器技术得到空前的发展。传统的水听器包括电动式、电容式、压电式、驻极体式，等等。 20世纪70年代以来，伴随着光导纤维及光纤通信技术的发展，光纤水听器逐渐成为新一代的水声探测传感器。与传统水听器相比，其最大优点是对电磁干扰的天然免疫能力。此外，光纤水听器还具有噪声水平低、动态范围大、水下无电、稳定性和可靠性高、易于组成大规模阵列等优点。现有的光纤水听器包括光强度型、干涉型、偏振型、光栅型等。其中，光纤激光水听器(FLH)就是一种光栅型水听器，但由于它的传感元件光纤激光器(又称有源光纤光栅)相比于无源光纤光栅具有高功率和极窄线宽的特点，配合上基于光纤干涉技术的解调方法，它的微弱信号探测能力相比于普通的无源光纤光栅水听器可以提高几个数量级。 压电式水听器和干涉式光纤水听器是目前应用最广泛的水声探测器件。与干涉式光纤水听器相比，压电式水听器技术更加成熟，结构和制作工艺更简单，大规模生产时一致性可以得到相对较好的控制。但是，防漏电、耐高温、长距离传输、动态范围大则是光纤水听器最大的优势。尤其在一些特殊领域(例如高温高压的深井油气勘探领域)有着比压电水听器更为广阔的应用前景。与干涉式光纤水听器相比，光纤激光水听器的最大优势在于易复用，即“串联即成阵”。同时，受弯曲半径影响，干涉式光纤水听器的体积较大，水听器直径通常大于1cm。而由于光纤激光型水听器结构简单，传感单元仅为一根光纤的尺寸，光纤激光水听器外径可细至4～6mm。当然，受光纤激光器本身弦振动及系统1/f噪声影响，加速度响应较大、低频段噪声相对较高是目前光纤激光型水听器存在的主要问题之一，有
光纤激光器的原理及应用 张洪英 哈尔滨工程大学理学院 摘要：由于在光通信、光数据存储、传感技术、医学等领域的广泛应用，近几年来光纤激光器发展十分迅速，且拥有体积小、重量轻、检测分辨率高、灵敏度高、测温范围宽、保密性好、抗电磁干扰能力强、抗腐蚀性强等明显优势。本文简要介绍了光纤激光器的基本结构、工作原理及特性，并对目前几种光纤激光器发展现状及特点做了分析，总结了光纤激光器的发展趋势。 关键词：光纤激光器原理种类特点发展趋势 1引言 对掺杂光纤作增益介质的光纤激光器的研究20世纪60年代，斯尼泽(Snitzer)于1963年报道了在玻璃基质中掺激活钕离子(Nd3+)所制成的光纤激光器。20世纪70年代以来，人们在光纤制备技术以及光纤激光器的泵浦与谐振腔结构的探索方面取得了较大进展。而在20世纪80年代中期英国南安普顿大学掺饵(EI3+)光纤的突破，使光纤激光器更具实用性，显示出十分诱人的应用前景[1]。 与传统的固体、气体激光器相比，光纤激光器具有许多独特的优越性，例如光束质量好，体积小，重量轻，免维护，风冷却，易于操作，运行成本低，可在工业化环境下长期使用；而且加工精度高，速度快，寿命长，省能源，尤其可以智能化，自动化，柔性好[2-3]。因此，它已经在许多领域取代了传统的Y AG、CO2激光器等。 光纤激光器的输出波长范围在400~3400nm之间,可应用于：光学数据存储、光学通信、传感技术、光谱和医学应用等多种领域。目前发展较为迅速的掺光纤激光器、光纤光栅激光器、窄线宽可调谐光纤激光器以及高功率的双包层光纤激光器。 2光纤激光器的基本结构与工作原理 2.1光纤激光器的基本结构 光纤激光器主要由三部分组成：由能产生光子的增益介质、使光子得到反馈并在增益介质中进行谐振放大的光学谐振腔和可使激光介质处于受激状态的泵浦源装置。光纤激光器的基本结构如图2.1所示。
光纤水听器是一种建立在光纤、光电子技术基础上的水下声信号传感器。它通过高灵敏度的光学相干检测，将水声振动转换成光信号，通过光纤传至信号处理系统提取声信号信息。光纤水听器具有灵敏度高，频响特性好等特点。由于采用光纤作信息载体，适宜远距离大范围监测。 深圳市一测医疗测试技术有限公司是一家专注于医疗器械测试 产品和技术的研发、销售与服务为一体的“国家高新技术企业”，我们拥有自主研发的国家发明专利技术并且代理了众多国外先进专业 测试产品，如膜式水听器、光纤水听器、水听器校准、吸声材料、声场测试水处理系统等。
光纤水听器FOH：灵敏度高，抗电磁干扰，价格便宜，可测量同一个点的温度和压力，并描绘出压力和温度变化曲线。光纤水听器非常适合高强度声输出的测量。 技术参数： 构成：10um 的材料附着在玻璃上，构成光纤，直径为 10um; 校准：250kHz to 50MHz 可校准; 灵敏度：平行传感器： 150mV/MPa at 3MHz;锥形传感器： 100mV/MPa at 3MHz; 灵敏度变化范围：+/-3dB; 能量承受范围：10kPa to 15MPa。
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光纤水听器原理与发展现状 袁虎邓华秋 （华南理工大学物理系广州510640） 摘要光纤水听器由于其特有的抗电磁干扰、体积小等特点，在军事、民用方面有着广泛应用。本文简介了光纤水听器的基本原理，并分别对强度调制型、干涉型和光栅型光纤水听器进行了简单的介绍。在现在的光纤水听器的应用中，点式的传感已不能满足现在的大规模集成化要求，因此分布式光纤水听器也是近期的研究热点。文中介绍了两种分布式光纤水听器的技术方案，分别是OTDR和FMCW技术。与此同时由于光纤激光器的发展，其良好的单色性和稳定性可以用于优良的光源，把它用到干涉型光纤水听器中可以极大程度的提高光纤水听器的性能。 关键词：光纤水听器；FMCW；光纤激光器 1.光纤水听器简介 声波作为一种机械波，可以在海水中进行远程能量传递，而其他类型的能量场在水中衰减很快，因此，声波是海洋深层信息收集、传递和处理的最重要形式[1]。水声传感器简称水听器，是在水中侦听声场信号的仪器。它作为反潜声纳的核心部件，在军事领域中有着重要的应用；在工业生产和民用领域，也有着广泛的用途，如用于海洋石油和天然气的勘探、地震预测、水声物理研究、海洋气候以及渔业等众多方面。 早期的水听器主要有压电陶瓷制成的压电水听器。但随着应用的深入，基于压电陶瓷传感元件的水听器出现了许多不足之处。如对电磁场的敏感性，电缆负载、连接电缆的共振效应，同时利用压电陶瓷进行点传感的技术难度和成本也十分困难。正是由于传统压电式水听器存在这些问题，随着光纤和激光技术的发展，人们研制出了一种基于光纤光电子技术的新型水听器-光纤水听器。它的研究始于冷战时期，由于反潜战的需要，美国海军开始了光纤水听器的研究。[2,3]1977年布卡诺等人发表首篇关于光纤技术的水声传感系统的论文[4]。 光纤水听器由于传感头部分不用使用电，而是通过光来传输信号，所以具有抗电磁干扰、电绝缘、动态范围宽、稳定可靠性高、灵敏度不受水流静压力和频率的影响、可以进行远距离测量、探头体积小、方便构成大规模阵列等众多优点。所以，光纤水听器的研究越来越受到各国的重视[4]。 2.光纤水听器原理
2019年中国光纤激光器行业市场现状及发展前景研究报告随着光纤激光器突破了传统激光器在功率、效率和性能方面的瓶颈，逐步替代气和普通固体激光器，光纤激光技术的发展和下游行业需求的增加，光纤激光器市场规模保持快速增长。随着光纤激光器技术逐渐成熟以及下游行业市场需求不断增加，数据显示，2018年中国光纤激光器出货量已突破10万台。 工业自动化生产的推进和激光器功率的提升，光纤激光器在工业领域的应用快速渗透，高功率连续光纤激光器稳定性快速提升，应用领域迅速扩大，光纤激光器在工业领域的应用将进一步扩大，整体市场空间将稳定增长，预计2019年中国光纤激光器出货量将进一步增长，有望突破14万台。 基于此，中商产业研究院长期关注中国光纤激光器市场，针对当前光纤激光器情况以及光纤激光器的发展前景，特别推出了《2019中国光纤激光器行业市场前景研究报告》，通过案例分析，为从事光纤激光器产业的从业人员提供了参考方案。 《2019中国光纤激光器行业市场前景研究报告》主要围绕中国光纤激光器行业概况；光纤激光器发展背景；光纤激光器现状；行业相关企业以及光纤激光器行业未来发展前景等五个章节展开，通过对当前中国光纤激光器的分类别划分诊断，总结光纤激光器发展现状，从而预提出当前行业的发展前景。
PART 1光纤激光器的概况 据中商产业研究院分析，光纤激光器是指利用掺稀土元素的玻璃光纤作为增益介质的激光器。光纤激光器一般用光纤光栅作为谐振腔，泵浦源作为泵浦源，泵浦光从合束器耦合进入增益光纤，在包层内多次反射穿过掺杂纤芯，选择合适的光纤长度和掺杂离子浓度可以实现对泵浦光的充分吸收，形成粒子数反转并输出激光。
干涉型光纤水听器调制解调方案研究 ! 沈梁"叶险峰"李志能 #浙江大学信息与电子工程学系"杭州$%&&’()摘要*本文概述了+,-./01.2314 干涉型光纤水听器两种不同的调制解调技术"着重分析了用$5$耦合器组成的干涉型光纤水听器的解调原理" 并比较分析了这两种方案的特点"指出采用$5$耦合器解调技术是将来构成全光纤干涉型水听器系统的优选方案6 关键词*干涉型光纤水听器789零差检测解调$ 5$耦合器中国分类法*:7’%’6%;"文献标识码*<文章编号* %&&;/%=>>#’&&%)&%/&&&?/&=@引言 光纤水听器是利用光纤的传光特性以及它与周围环境相互作用产生的种种调制效应" 在海洋中侦听声场信号的仪器A %B 6 干涉型光纤水听器具有高灵敏度的相位检测能力和大的动态范围"可以远距离捕获海洋中声发射源如潜艇C 鱼群等发出的噪声"以便进行警报和定位"其检测声压灵敏度比传统的压电式水听器高出$个数量级"因而对光纤水听器技术的研 究在?&年代初就引起各国的高度重视6 同国外相比"我国在这一领域差距很大"仍处于原理性探索与实验室研究阶段"通过近几年的探索"已取得了一些成果6本文概述了+,-./01.2/ 314 干涉型光纤水听器两种不同调制解调技术6通过严密的数学推导"重点分析了$5$耦合器对称解调技术方案A D "=B " 并分析研究了这两种方案的特点"这些工作对于实现全光纤化水听器阵列远距离信号传输与检测具有重要的意义6 E 789调制/ 解调原理干涉型光纤水听器的789检测方案是在光纤水听器中引入检测信号带宽外的某一频 率的大幅度相位调制信号A ’B " 通过分离随机漂移与信号项"消除随机漂移对传感信号的影响6将圆频率为F G " 信号幅度为H 的相位调制信号加在+,-./01.2314光纤干涉仪上"则干涉仪的检测信号及其I 1J J 1K 函数展开为L M NO P -Q J A -Q J F G R O S #R )B M NO P T A U &#H )O ’V W X M % # Y %)X U ’X #H )-Q J ’X F G R B -Q J S #R )Y A ’V W X M &# Y %)X U ’X O %#H )-Q J #’X O %)F G R B J Z 2#R )[#%) ’&&%年$月传感技术学报第%期 !来稿日期*’&&&/&>/’?资助项目*国家自然科学基金资助项目#=>(&’&&$)万方数据
激光器件与技术期中论文 光纤激光器浅谈浅谈光纤激光器以及我国光纤激光器研究现状
摘要： 光纤激光器作为光源在光通信领域已得到广泛应用，而随着大功率双保层光纤激光器的出现，其应用正向着激光加工、激光测距、激光雷达、激光艺术成像、激光防伪和生物医疗等更广阔的领域迅速扩展。本文以下内容概述了光纤激光器的原理、特点、应用及其发展前景。 关键词：光纤激光器应用扩展发展前景 abstract: Fiber laser as a light source in the field of optical communication has been widely used, and as the dual-protection layer of high-power fiber lasers appear, its application is toward to the laser processing, laser ranging, laser radar, laser art of imaging, security and bio-medical laser rapid expansion of a wider area. The following article outlines the principles of fiber lasers, characteristics, applications and prospects for development. Keywords: fiber laser applications development prospects.
我国国内光纤激光器目前己经得到一定程度的发展，国内的一些单位如上海光机所、清华大学、北京邮电大学、华中科技大学、中国科技大学、天津大学等从八十年代末进入光纤激光器的研究领域，经过努力获得了一定进展。国内开展光纤激光器和放大器方面的研究是从80 年代末和90 年代初开始的，首先在上海硅酸盐研究所、天津46 所、上海光机所、西安光机所、清华大学、北京邮电大学等国内多见科研单位开展了掺饵光纤的研制及光纤激光器的研究，并取得了阶段性的成果[l5] 。南开大学、上海光学精密机械研究所在双包层光纤布拉格(Bragg)光栅激光器方面取得了开创性成果[16],烽火通信科技股份有限公司与上海光 机所于2005 年合作，顺利研制出输出功率高达440W 的掺臆双包层光纤激光器[17]，随后中国兵器装备研究院报道了突破IKW 功率的光纤激光器，清华大学在多波长光纤激光器和锁模脉冲光纤激光器方面做了很多有进展性的工作[ 1 8-20] ，总体来说，由于国内光纤激光器的研究受到基础条件方面的制约，同国际的研究水平还有相当大的差距。国外有多个研究机构人员对DBR 和DFB 光纤激光器开展了全面的研究。其中G.A.Ball 所在的EastHartford 联合科技研究中心最先开展了将光栅直接写在掺杂光纤上形成腔结构，泵浦光源通过WDM 对 其进行泵浦而得到激光输出，从而实现所谓DBR 型光纤激光器[21-23] 。由于作为干涉光源以及传感等应用的背景，对单频操作DBR 的研究广泛的开展起来。利用短腔长高掺杂的DBR 、复合腔结构或DFB 结构等来实现稳定的单频操作一一被提出来。Sigurd 所在的澳大利亚的CRC 光子中心对DFB 光纤激光器进行了动态和多波长操作分析[24-25] ，同时探讨了利用DFB 光纤激光器对声响应的情况，并测试了DFB 光纤激光器对空气中声场的响应;Scott 所在的澳大利亚的国防科学科技组织从理论到实验研究了DFB 光纤激光器的空间模结构和 动态噪声[26-27] ，希望实现基于DFB 光纤激光器的水听器;英国的那安普顿大学的Kuthan 等人从理论上提出了改变DFB 光纤激光器对称结构从而实现提高输出效率降低泵浦域值目的[28] ，同时研究了混合掺杂的DFB 光纤激光器[29]，同样希望将其应用于传感领域。在20 世纪90 年代，世界范围的光纤传感技术呈现出产业化发展的趋势，主要形成了军事和民用两大应用领域，其中包括:国土安全防卫系统、工业安全检测系统以及用于石油化工、生物医学和环境等领域的光纤检测系统。在此同时光纤激光传感技术也开始形成，在1995 年，美国海军实验室的K.P.Koo 等人[30]首次将光纤激光器应用到光纤传感领域，这不仅推动了光纤传感技术的发展，而且标准着光纤激光传感技术的诞生。在此之后许多机构对光纤激光传感技术就开始了深入的研究，并且积极的拓展其应用的领域，如美国海军实验室(NRL) 、英国国防研究局(DERA) 、澳大利亚国防科学与技术组织(DSTO) 和美国利通资源勘探仪器公司(Litto n)等。自从19%年起英国国防研究局(DERA)联合Ast on大学和Kent大学开展了光纤激光水听器的研究[31]，并于2005年报道了8 点光纤激光水听器波分复用技术[32];2006 年澳大利亚国防科学与技术组织(DSTO) 报道的最大规模的单纤16点波分复用光纤激光传感器阵列[33];2007 年美国G.H.Ames 等报道了DFB 光纤激光加速度计[34];2008 年美国海军实验室G.A.Cranch 等报道了DFB 光纤激光磁力计[35] 可以应用于海底微弱磁场的探测。近年来国内光纤传感技术己经进入了工程应用的阶段，并且在光纤激光传感技术方面也取得了一些研究成果。 2011.3.1 DFB 光纤激光器作为本文研究的重点，下面对它的研究进展作一个简要介绍。1972 年美国贝尔实验
激光器技术的应用现状及发展趋势 摘要 :简述了激光精密加工技术及其特点 ; 综述了激光精密加工的应用现状 ; 探讨了激光精密加工技术的发展趋势。激光加工技术在机械工业中的广泛应用, 促进了激光加工技术向工业化发展。为此, 介绍了几种应用较广泛的激光加工技术; 重点讨论了激光硬化和激光珩磨技术的应用和发展趋势。摘要由于在光通信光数据存储传感技术医学等领域的广泛应用近几年来光纤激光器发展十分迅速本文简要介绍了光纤激光器的工作原理及特性 , 并对目前多种光纤激光器作了较为详细的分类 ; 同时介绍了近几年国内外对于光纤激光器的研究方向及其目前的热点是高功率光纤激光器、窄线宽可调谐光纤激光器和超短脉冲光纤激光器 ; 最后指出光纤激光器向高功率、多波长、窄线宽发展的趋势 . :结合河北工业大学光机电一体化研究室近几年对激光加工技术研究的初步成果, 对激光加工技术的特点, 激光加工技术在国内外的应用发展状况, 以及激光加工技术的发展趋势进行了简要介绍, 同时分析了我国激光加工产业面临的机遇与挑战,并提出了应采取的对策 前言 1 概述 激光加工是 20 世纪 60 年代初期兴起的一项新技术,此后逐步应用于机械、汽车、航空、电子等行业, 尤以机械行业的应用发展速度最快。在机械制造业中的广泛使用又推动了激光加工技术的工业化。 20 世纪 70 年代,美国进行了两大研究 :一是福特汽车公司进行的车身钢板的激光焊接 ; 二是通用汽车公司进行的动力转向变速箱内表面的激光淬火。这两项研究推动了以后的机械制造业中的激光加工技术的发展。到了 20 世纪 80 年代后期, 激光加工的应用实例有所增加 , 其中增长最迅速的是激光切割、激光焊接和激光淬火。这 3 项技术目前已经发展成熟, 应用也很广泛。进入 20 世纪 90 年代后期, 激光珩磨技术的出现又将激光微细加工技术在机械加工中的应用翻开了崭新的一页。激光加工技术之所以得到如此广泛的应用, 是因为它与传统加工技术相比具有很多优点:一、是非接触加工, 没有机械力; 二、是可以加工高硬度、高熔点、极脆的难加工材料;三、是加工区小,热变形很小,
我国商用光纤激光器的应用现状及发展 2011/1/25 14:59:16 标签：光纤激光器现状发展应用 1 引言 近年来，随着各种关键技术的突破，光纤激光器得到了长足的发展。作为第三代激光技术的代表，光纤激光器具有其他激光器无可比拟的技术优越性。这几年随着各种商用光纤激光器的面市，光纤激光器被应用到众多领域。本文主要介绍国内外光纤激光器的最新应用进展及我国商用光纤激光器现状及发展。 2 光纤激光器的应用 2.1 光纤激光器在工业上的应用 工业生产要求激光器可靠性高、体积小、安全、便于操作。光纤激光器以其结构紧凑、光转换效率高、预热时间短、受环境因素影响小、免维护以及容易与光纤或由光学镜片组成导光系统耦合等优点受到人们的广泛关注。 目前，光纤激光器正逐步取代传统激光器在激光打标、激光焊接、激光切割等领域的主导地位。在打标领域，由于光纤激光器具有较高的光束质量和定位精度，光纤打标系统正取代效率不高的二氧化碳激光和氙灯抽运的Nd:YAG脉冲激光打标系统；在欧美及日本市场，这种取代正大规模地进行着，仅在日本，每月的需求量就超过100台。我国作为世界上最大的工业制造国，对光纤激光打标机的需求是十分巨大的，估计每年有超过2000台的需求量。在激光焊接和切割领域，随着上千瓦甚至几万瓦光纤激光器的研制成功，光纤激光器也得到了应用。此前，IPG报道，德国宝马汽车公司购买了他们的高功率光纤激光器用在车门焊接生产线上。 2.2 光纤激光器在传感上的应用 较之于其他光源，光纤激光器被用作传感光源有许多优势。首先，光纤激光器有效率高、可调谐、稳定性好、紧凑小巧、重量轻、维护方便和光束质量好等优异性能。其次，光纤激光能很好地与光纤耦合，与现有的光纤器件完全兼容，能进行全光纤测试。 目前，基于可调谐窄线宽光纤激光器的光纤传感是该领域的应用热点之一。该类型光纤激光器的光谱线宽很窄，具有超长相干长度，并且可以对频率进行快速调制。把这种窄线宽光纤激光器应用到分布式传感系统，可实现超长距离、超高精度的光纤传感。在美国和欧洲，这种基于可调谐窄线宽光纤激光器的传感技术被广泛应用到国土安全及重要设施监测、石油/天然气管道监测以及水下声纳探测等众多领域。我国估计每年对这种类型光纤激光器的需求量也在100台以上。 2.3 光纤激光器在通讯上的应用 光纤激光器相比于常规激光系统在结构紧凑性、散热、光束质量、体积以及与现有系
科研训练报告 设计题目：光纤激光器的发展和研究现状 专业班级： 姓名： 班内序号： 指导教师： 光纤激光器的发展和研究现状 摘要： 光纤激光器以其无与伦比的性能优势吸引了研究人员的兴趣和产业界的重视。本文回顾了光纤激光器的发展历程,对比总结了光纤激光器的优势,并提出了光纤激光器的发展趋势 ,对光纤激光器的研究具有参考作用。 Abstract: Fiber laser’s unmatched perfor mance advantages attracted the interest of researchers and attention of the industry . This paper reviewed the development of fiber laser, summarized its advantages and presented the development trend, which offered reference t o the research of fiber laser . 关键词: 光纤激光器;原理;发展趋势 Key words: fiber laser ; principle; development trend 引言： 近几年，光纤激光器因其具有优异的光束质量、非常高的功率和功率密度、易于冷却、高的稳定性和可靠性等多方面的优点引起了研究人员和应用者日益浓厚的兴趣，已经在和将在通信、医疗、军事等领域大展身手。并在多种应用场合取代目前常用的气体和固体激光器。光纤激光产品的出现以及性能的不断改善必将加快激光在各种领域的应用，从而提高工业生产水平和人们的生活质量。 1光纤激光器的基本原理和结构
光纤激光器的应用及发展 1 引言 光纤激光器是近些年来激光领域备受关注的热点。与传统的固体、气体激光器相比，光纤激光器具有许多独特的优越性，例如光束质量好，体积小重量轻，免维护等等。因此，它在许多领域取代了传统的固体激光器。 2光纤激光器的类型 按照光纤材料的种类，光纤激光器可分成一下几种类型： 一：晶体光纤激光器工作物质是激光晶体光纤，主要有红宝石单晶光纤激光器和 nd3+：YAG单晶光纤激光器等； 二：非线性光学型光纤激光器主要有受激喇曼散射光纤激光器和受激布里渊散射光纤激光器； 三：稀土类掺杂光纤激光器光纤的基质材料是玻璃，向光纤中掺杂稀土类元素离子使之激活，而制成光纤激光器； 四：塑料光纤激光器向塑料光纤芯部或包层内掺入激光染料而制成光纤激光器。 3光纤激光器的应用 光纤激光器十分适合在连续波或准连续波运转下放大到更高功率，来满足微电子方面的应用需求。在这些应用中，光束质量、精度以及稳定性至关重要。在许多应用中，控制、改变激光加工能量和功率输入，对加工过程起着决定性作用。 在标刻方面的应用：脉冲光纤激光器以其优良的光束质量，可靠性，最长的免维护时间，最高的整体电光转换效率，脉冲重复频率，最小的体积，无须水冷的最简单、最灵活的使用方式，最低的运行费用使其成为在高速、高精度激光标刻方面的唯一选择。 在材料处理的应用：光纤激光器的材料处理是基于材料吸收激光能量的部位被加热的热处理过程。1um左右波长的激光光能很容易被金属、塑料及陶瓷材料吸收。 在工业钻孔中的应用：激光器通过脉冲波形控制实现了很大的灵活性，能在钻孔应用中大显身手。更大的振幅意味着更大的峰值功率。波形WFO提供的更高的峰值功率和脉冲能量，能产生更大直径的孔。改变频率，峰值功率和脉冲能量随之改变,孔径也随之变化。因此微米级的不同孔径，能通过激光器的频率和脉冲特征加以改变。 在岩石及泥土材料处理中的应用：光纤激光在施工现场的应用方面明显优于任何其它种类的激光，包括在开矿、隧道开凿、切割和岩石及混凝土钻孔等方面。光纤激光能够通过很长的光纤将足够的能量传输到远程的目标。光纤激光超高的电光转换效率（30%），良好的光束质量，车载机动性及设备的稳定性和免维护性等特点使得它在此类应用领域里成为最佳的选择。 在材料弯曲的应用：光纤激光成型或折曲是一种用于改变金属板或硬陶瓷曲率的技术。集中加热和快速自冷切导致在激光加热区域的可塑性变形，永久性改变目标工件的曲率。研究发现用激光处理的微弯曲远比其他方式具有更高的精密度，同时，这在微电子制造是一个很理想的方法。 4光纤激光器的发展趋势 第一：光纤激光器本身性能的提高：如何提高输出功率和转换效率，优化光束质量，缩短增益光纤长度，提高系统稳定性并使其更加小巧紧凑是未来光纤激光器领域研究的重点。 第二：新型光纤激光器的研制：在时域方面，具有更小占空比的超短脉冲锁模光纤激光器一直是激光领域研究的热点，高功率飞秒量级脉冲光纤激光器一直是人们长期追求的目标。在频域方面，宽带输出并可调谐的光纤激光器将成为研究热点。
激光器技术的应用现状及发展趋势 摘要:简述了激光精密加工技术及其特点;综述了激光精密加工的应用现状; 探讨了激光精 密加工技术的发展趋势。激光加工技术在机械工业中的广泛应用，促进了激光加工技术向工业化发展。为此，介绍了几种应用较广泛的激光加工技术；重点讨论了激光硬化和激光珩磨技术的应用和发展趋势。摘要由于在光通信光数据存储传感技术医学等领域的广泛应用近几年来光纤激光器发展十分迅速本文简要介绍了光纤激光器的工作原理及特性,并对目前多种光纤激光器作了较为详细的分类;同时介绍了近几年国内外对于光纤激光器的研究方向及其目前的热点是高功率光纤激光器、窄线宽可调谐光纤激光器和超短脉冲光纤激光器;最后指出光纤激光器向高功率、多波长、窄线宽发展的趋势. ：结合河北工业大学光机电一体化研究室近几年对激光加工技术研究的初步成果，对激光加工技术的特点，激光加工技术在国内外的应用发展状况，以及激光加工技术的发展趋势进行了简要介绍，同时分析了我国激光加工产业面临的机遇与挑战，并提出了应采取的对策 前言 1 概述 激光加工是20 世纪60 年代初期兴起的一项新技术，此后逐步应用于机械、汽车、航空、电子等行业，尤以机械行业的应用发展速度最快。在机械制造业中的广泛使用又推动了激光加工技术的工业化。20 世纪70 年代，美国进行了两大研究:一是福特汽车公司进行的车身钢板的激光焊接;二是通用汽车公司进行的动力转向变速箱内表面的激光淬火。这两项研究推动了以后的机械制造业中的激光加工技术的发展。到了20 世纪80 年代后期，激光加工的应用实例有所增加,其中增长最迅速的是激光切割、激光焊接和激光淬火。这 3 项技术目前已经发展成熟，应用也很广泛。进入20 世纪90 年代后期，激光珩磨技术的出现又将激光微细加工技术在机械加工中的应用翻开了崭新的一页。激光加工技术之所以得到如此广泛的应用，是因为它与传统加工技术相比具有很多优点：一、是非接触加工，没有机械力； 二、是可以加工高硬度、高熔点、极脆的难加工材料；三、是加工区小，热变形很小，加工质量高；四是与现代数控机床相结合，使激光加工具有加工精度高、可控性好、程序简单、省料及污染少等特点。下面综合介绍应用比较广泛的几种激光加工技术。目前，激光加工技术得到了越来越广泛的应用，具有非常广阔的市场前景，在国民经济和工业发展中发挥着日益重要的作用[1] ． 激光加工的实质是激光将能量传递给被加工材料，被加工材料发生物理或化学变化，从而达到加工的目的．按照激光与被加工工件之间作用机理的不同，可将激光加工分为两类：一类是激光热加工，一类是激光冷加工．激光热加工是指激光作用于加工工件表面所引起的快速热效应的各种加工过程，如激光焊接、激光打孔、激光切割等；激光冷加工是指激光借助高能量高密度光子引发或控制光化学反应的各种加工过程，亦称为激光光化学反应加工，如激光刻蚀、激光掺杂、表面氧化等．激光加工技术应用的领域非常广泛，如机械制造、纺织、医疗器械、汽车、航天航空、电子电器、电站电机、量具刃具、冶金、化工、包装、测量、建筑以及工艺装饰等行业[3]．在发达国家的加工行业中，已经逐步进入了激光加工的时代．日本的激光加工已经占到整个加工业的10%以上；在激光医疗及激光检测技术方面美国处于领先地位，美国也是最早将高功率激光器引入汽车工业的国家；在激光材料加工设备方面，德国走在了世界前列．据统计，全球现在有激光加工站 5 000 多家，主要分布在美国、日本和欧洲．我国的激光加工技术研究虽然与世界先进水平有一定差距，但起步也并不
光纤水听器在海洋中的应用 光纤水听器是一种建立在光纤、光电子技术基础上的水下声信号传感器。它通过高灵敏度的光学相干检测，将水声振动转换成光信号，通过光纤传至信号处理系统提取声信号信息。它具有灵敏度高，频响特性好等特点。由于采用光纤作信息载体，适宜远距离大范围监测。 在美国最为先进的新型核潜艇——“弗吉尼亚”级潜艇中，为了提高反潜、反舰和远程侦察能力，装备了大孔径阵列光纤声学传感器系统，即光纤水听器。它利用光纤和激光技术把目标在水中传播的声音信号转化为光学信息，从而使“弗吉尼亚”级潜艇能够精准识别和跟踪目标。光纤水听器就像人类洞察汪洋的一双“慧眼”，难怪美国海军研究实验室光纤水听器的研究人员曾经自豪地说：“属于光纤水听器技术的时代已经到来！” 一、光纤水听器的优势 看似安宁的海洋，其实从来都不平静。声波是目前人类知道的唯一能够在水中远距离传播的物质，而光和电磁波在水中传播时很快就会被吸收。声波不仅可以在水里传得很远，而且当声波遇到海洋中的物体时，会被反射回来，不同频率的声波，在水中被吸收和反射的程度也不相同。人们根据声
波的这一特性发明了声呐，用来进行水中探测、定位和通信。 但近年来随着武器装备的迅速发展和消噪技术的不断进步，各类静音效果良好的核动力潜艇以及aip潜艇先后列装各国海军，利用传统声呐装置进行侦听的难度大大增加。反潜作战成为当今世界各国海军公认的最大难题之一。 光纤水听器主要用于海洋声学环境中的声传播、噪声、混响、海底声学特性、目标声学特性等的探测，是现代海军反潜作战、水下兵器试验、海洋石油勘探和海洋地质调查的先进探测手段。2009年2月初，英国“前卫”号弹道导弹核潜艇与法国“凯旋”号核潜艇在大西洋深海上演了“深情一吻”。当时两艘潜艇均在水下航行，而且艇上带着核导弹，碰撞发生时，潜艇上共有约250名乘员，可竟然无人利用声呐装置发现对方。 其实，自冷战时代起，美国和西方国家就经常派潜艇近距离监视苏联的大型海上军事演习，双方潜艇发生相撞事件时有发生。据不完全统计，在北方舰队和太平洋舰队过去30年来进行军事演习的海域，就曾发生过11起俄罗斯（前苏联）潜艇与外国潜艇相撞事故。俄核潜艇“库尔斯克”号的沉没引发了世人的种种猜测，其中有一种猜测就是认为发生了潜艇相撞事件。 二、光纤水听器技术发展 光纤水听器是一种建立在光纤传感和光电子技术基础
光纤激光器的发展与展望 早在1961年，美国光学公司就提出了光纤激光器的构想，但由于受当时条件的限制，研究进展非常缓慢。进入20世纪80年代中期，发明了溶液掺杂技术(Solution doping technique)。此后，改进的化学气相沉积法(MCVD)研制成低损耗的掺铒光纤，一些实验室开始从掺铒光纤中得到了波长1.5um、高达30dB的光放大增益，引起了人们的高度重视。到80年代中后期，基于半导体激光器泵浦的掺铒光纤激光器和低损耗的石英单模光纤制造技术，为光纤通信的迅猛发展奠定了强有力的技术基础。正是由于掺铒光纤放大器为光纤通信所带来诱人前景的驱动，引发了80年代中后期稀土掺杂光纤激光器的研究热潮。 随后Hanna等纷纷报道掺铒、钕、镱、铥及铒/镱共掺等光纤激光器。但当时采用的稀土掺杂光纤为单包层光纤，泵浦光必须直接耦合到直径仅仅几微米的单模纤芯中，这对泵浦源的激光模式提出了较高的要求，导致泵浦源昂贵且耦合效率低。因此，传统的稀土掺杂光纤激光器只能作为一种低功率的光子器件。 与传统的半导体激光器不同，光纤激光器以掺杂稀土元素的光纤作为工作介质，采用反馈器件构成谐振腔，在泵浦光的激励下，光纤内掺杂介质产生受激发射，进而形成激光振荡输出激光。但常规的光纤激光器因需要将泵浦光耦合进入直径低于10um的单模纤芯，因而耦合效率低，限制了光纤激光器的输出功率。但是在大多数应用领域需要超过瓦量级的输出功率，再加上光纤制作技术、泵浦光源以及光学技术的限制，光纤激光器的发展一直比较缓慢。 较之传统光纤激光器，双包层光纤激光器采用具有双包层结构的掺杂光纤作为工作介质。泵浦光在多模内包层中传输，内包层具有大的数值孔径和横向尺寸，就使得采用多模LD阵列作为泵浦源成为可能。随着泵浦光在光纤中传输，纤芯中的掺杂介质吸收能量产生粒子数反转并产生受激跃迁，在光反馈的作用下产生激光振荡。 双包层光纤激光器以其高输出功率、低阈值、高效率、窄线宽和可调谐等显著优势，越来越受到人们的青睐。 双包层光纤是一种特殊结构的光纤，是双包层光纤激光器的核心。 双包层掺杂光纤由纤芯、内包层、外包层和保护层四个层次组成。内包层的作用：一是包绕纤芯，将激光辐射限制在纤芯内；二是将泵浦光耦合到内包层使之在内包层和外包层之间来回反射，多次穿过单模纤芯被其吸收。 在双包层结构中，泵浦光的吸收率和内包层的几何形状和纤芯在包层结构中的位置有关。此外，泵浦光被掺杂稀土离子的吸收率正比于内包层和外包层的面积比。 双包层光纤激光器采用包层泵浦技术，利用高功率二极管阵列对双包层光纤进行有效地泵浦。多模泵浦光在双包层光纤的内包层中传输，纤芯的掺杂稀土离子吸收多模泵浦光并辐射出单模激光，将高功率、低亮度的泵浦光转换成衍射极限的，单模强激光输出。双包层光纤的独特结构使得泵浦光不必耦合到单模纤芯内，而是耦合到内包层中，极大地提高了耦合效率和入纤泵浦功率。再加上光纤所具有的高表面积/体积比，从而有效地消除了限制高功率激光器的激光介质热效应问题。 双包层光纤激光激光器以其小巧灵活、全固化、低阈值以及有着衍射极限的光束质量等显著优点越来越受到人们的喜爱。双包层光纤与传统的单模光纤的区别在于，通过设计光纤结构和选择合适的材料-----内包层。以大功率多模激光器为泵浦源，通过包层泵浦技术将多模泵浦光耦合进入内包层。当泵浦光沿光纤内包层的纵向传播时将多次穿越纤芯 并逐渐被稀土离子所吸收，从而产生激光效应。 双包层光纤激光器最容易实现的结构为线性腔、端泵浦的形式，即在双包层光纤的两端加上激光双色镜，经过耦合系统的泵浦光从双包层光纤的一端进入光纤，产生的信号光在两个腔