第36卷 第9期 激光与红外
V o.l 36,N o .9
2006年9月 LA SER &
I NFRAR ED
Septe m ber ,2006
文章编号:1001-5078(2006)09-0833-04
高功率掺镱双包层光纤激光器
赵玉辉1,2
,郑 义1
,詹 仪1
,杨洪杰
1
(1.郑州大学河南省激光与光电信息技术重点实验室,河南郑州450052;2.山东理工大学,山东淄博255049)
摘 要:简要地概述高功率双包层掺镱光纤激光器的基本原理和关键技术,介绍其在工业、通
信、医疗等领域的应用,并对国内外的近期进展作了综述。关键词:双包层光纤激光器;包层泵浦;高功率中图分类号:TN248.1 文献标识码:A
H i gh -power Yb -doped Double -clad F i ber Laser
ZHAO Yu -hu i 1,2
,Z H E NG Y i 1
,Z HAN Y i 1
,YANG H ong -jie
1
(1.H enan K ey L aboratory of Laser and O ptoe l ectronics Infor m a tion T echnology of Zhengzhou U n i v ers it y ,Zheng z hou 450052,Ch i na ;2.Shandong U n i versity o f T echno l ogy ,Z i bo 255049,Ch i na)Ab stract :T he pr i nciples and key techni que o f h i gh -pow er Y b -doped double -c lad fi ber l ase r are briefl y descr i bed .Its
applica ti ons i n i ndustry ,comm un i cation ,m ed i ca l treat m ent are i ntroduced .T he latest progresses and deve lop m ent trends in the a rea are prospected .K ey w ords :doub l e -c lad fi ber laser ;c laddi ng -pu m p ;h i gh po w er
1 引 言
光纤激光器由于其诸多优点而倍受青睐。自20世纪80年代中期开发出掺稀土离子单模光纤制造技术以来,光纤激光器成为激光技术领域研究的热点。但是,由于泵浦光较难有效耦合到纤芯中,因此,光纤激光通常被认为是一种低功率光源。近年来,国际上发展了一种以双包层光纤为基础的包层泵浦技术,提高了光纤激光器的输出功率,改变了光纤激光器仅仅是小功率光子器件的历史。目前,掺镱双包层光纤激光器的输出功率与单模光纤激光器相比提高了几个数量级,而且具有光束质量好、结构紧凑小巧、全固化、低阈值、高效率等优点,因此,在工业加工、光通信、医学、印刷、激光测距等领域具有
广泛的应用前景[1-2]
。本文简要介绍了高功率掺镱光纤激光器的机理、关键技术与应用、以及近几年的研究进展和发展方向。
2 掺镱双包层光纤激光器的基本原理和特点
图1为一个纵向泵浦的光纤激光器的基本结构图。一段掺镱离子的双包层光纤放置于两反射率经过选择的腔镜间,泵浦光从光纤激光器的左边腔镜耦合进光纤。光纤激光器是一个波导型的谐振装置,光波的传输介质是光纤,这种结构实际上是
Fabr y -Po r o t 谐振腔结构。在光纤激光器中,非常细
的掺镱光纤纤芯就充当了光纤激光器的增益介质,由于外加泵浦光的作用,在光纤内便很容易形成高功率密度,从而引起激光工作物质的粒子数反转,从纤芯输出激光。
图1 双包层光纤激光器原理示意图F i g .1 sche m atic d iagra m of pri n ci p l e confi gu ration
f or doub le -cl ad fi b er l aser
由于双包层掺镱光纤激光器是波导式结构,因
而具有可容强泵浦和高增益的特点,而且光纤本身具有良好的柔绕性、小尺寸和可掺杂等特点,从而使其具有很多优异的性能和特点。主要表现在:
a)输出激光的光束质量好,激光器可以实现光
束质量达到近衍射极限(M 2
U 1)的单模高功率激光输出;
b)掺镱双包层光纤激光器具有量子效率高、增
基金项目:河南省创新人才培训对象基金资助项目;河南省杰出青年基金资助项目(No .121001200)。
作者简介:赵玉辉(1973-),男,硕士生,主要从事光纤激光器技术的研究。E-m ai:l z haoyhs @163.co m 收稿日期:2006-03-09;修订日期:2006-04-11
益带宽大以及无激发态吸收、无浓度淬灭等优点,可采用波长位于915nm 或980nm 附近的多模大功率LD 泵浦,而且输出波长范围宽;
c)具有大的表面积与体积比,散热效果好,能在无强制制冷条件下连续工作;
d)体积小巧,结构简单、灵活。3 掺镱双包层光纤激光器的关键技术3.1 包层泵浦技术
包层泵浦的技术基础是掺镱的双包层光纤。双包层光纤由纤芯、内包层、外包层组成,其结构示意图见图2。折射率从纤芯到外包层依次递减,其中
纤芯是由掺Yb 3+
的Si O 2构成,和传统的单模光纤纤芯相似,专用于传输信号光;其外部较粗的内包层则用于传输多模泵浦光。这样,可以使用多个多模激光二极管同时耦合至双包层光纤的内包层上,当多模泵浦光每次横穿过单模光纤纤芯时,都会被其
中的Yb 3+
吸收,
大大提高了耦合效率。
图2 双包层光纤示意图
F i g .2 sche m atic d i agra m of doub le -cl add i ng fi
ber
图3 双包层光纤不同内包层形状示意图
F i g .3 s truct ure d i agra m of d ifferent inter n al cladding shape
of doub l e -clad fi ber
双包层掺镱光纤作为高功率光纤激光器的关键
组成部分,其截面的几何形状严重影响掺镱纤芯对
泵浦光的吸收效率[3]
。在内包层形状方面,最先提出的是对称圆形结构,但由于对称圆形内包层中存在大量螺旋光,这些光在内包层的多次反射过程中始终不经过纤芯,因而泵浦光的吸收率很低。随着包层技术的发展,科技工作者通过优化设计双包层光纤的结构,特别是内包层的几何形状,很好地解决了包层泵浦中螺旋光问题。典型的内包层结构有偏芯、方形、矩形、D 形、梅花形等结构,如图3所示。不同内包层形状的光纤具有不同的泵浦激光转换效率,R eiche.l V 等人曾经通过计算,得出各种内包层形状的光纤激光器的泵浦光吸收率随双包层光纤长度的变化曲线,如图4所示。实验结果表明:圆形内包层内存在大量螺旋光,纤芯吸收率仅10%;而偏芯形内包层则有50%的螺旋光;对于D 形内包层,螺旋光约13%;而矩形内包层光纤经多次反射后纤
芯吸收率可高达92%。所以,优化内包层的边界形
状是提高对泵浦光吸收效率的有效途径。另外,内包层的横截面积和数值孔径也会影响泵浦光的吸收率。
fi ber l ength /m
图4 不同内包层形状的光纤激光器的泵浦光
吸收率随双包层光纤长度的变化关系F i g .4 variati on of absorpti on effi ciency of pum ped
li gh t of differen tl y inter n al cladding fi ber laserw it h doub le -cl add i ng fi ber lengt h
3.2 光纤耦合技术
高功率光纤激光器另一项关键技术,就是将泵浦源输出的光功率有效地耦合到增益光纤中去。目前,掺镱双包层光纤激光器的泵浦耦合方式主要有端面耦合、侧面耦合以及Taper 型光纤耦合。3.2.1 端面耦合
端面耦合是掺镱双包层光纤激光器最简单和有效的泵浦耦合方式,它包括两种情况:一种是透镜组直接耦合,另一种是大功率LD 尾纤与光纤端面熔接耦合。透镜组直接耦合,即泵浦光经聚焦后通过二色镜直接耦合到双包层光纤中,如图5(a )所示。Do m inic V.等报道的110W 掺镱双包层光纤激光器以及Y.Jeong 等报道的610W 包层泵浦大芯径掺镱
光纤激光器都是采用了这种泵浦耦合方式[4-5]
。该方法要求透镜组的数值孔径、聚焦光斑大小与双包层光纤内包层孔径相匹配,但采用这种耦合方式的光纤激光器稳定性差且不易集成,所以商用光纤激光器一般不用。大功率LD 尾纤与光纤端面熔接耦合,如图5(b)所示。这种端面直接耦合的方式结构简单紧凑,并且不需要其他的辅助微调,实现了激光器的全光纤化。但是这种结构整机比较复杂,成本较高。
(a) (b)
图5 端面耦合结构示意图
F i g .5
struct ure d i agra m of fi b er -end-coupled sys t e m
3.2.2 侧面耦合
侧面耦合是通过特殊的技术和工艺,将泵浦光从双包层光纤的侧面耦合进入其内包层,通常采用
834
激光与红外 第36卷
的方式有以下三种:1)V 形槽侧面泵浦
该方式是将双包层光纤的一段剥除涂敷层及外包层后,在内包层的一侧开一V 形槽,泵浦光经微透镜聚焦后从另一侧垂直注入双包层光纤内包层,利用V 形槽的斜面处的全内反射实现泵浦光与双包层光纤内包层的耦合,基本结构如图6(a)所示[6]
。这种耦合方式易于实现各种灵巧的激光腔结构,便于实现多点阵列式泵浦及双向泵浦,能获得更大的输出光功率。但这种技术要求高,工艺复杂,在实现大功率泵浦时所用多V 形槽泵浦结构复杂,不易实现,同时也存在泵浦激光能量在衬底等处造成热损伤的问题。2)棱镜侧面耦合
棱镜侧面耦合是在双包层光纤上开槽到内包层表面,然后用紫外固化光学胶将用纯石英玻璃制成的微棱镜粘贴在内包层上,泵浦光通过微棱镜折射
进入内包层,基本结构如图6(b)所示[7]
。该结构可在双包层光纤上进行多点泵浦,但受光学胶所承受的光功率的限制,单个微棱镜能耦合的泵浦功率不高,且微棱镜尺寸太小,加工难度较大。
图6 侧面耦合结构示意图
Fig .6 s tructure diagra m of fi ber -s i de -coup l ed syst e m
3)光纤侧面耦合
光纤侧面耦合是将磨抛成一定角度的光纤端面用折射率相近的光学胶胶合或直接熔接在内包层
上,并在熔接处涂覆低折射率的聚合物涂层,结构如
图6(c)所示[8]
。这种方法可以进行多点泵浦,且耦合效率较高,但光纤端面的角度抛磨比较困难。3.2.3 T aper 型光纤耦合
Taper 型光纤耦合是利用熔融拉锥形成的锥形多模耦合器,把带有尾纤的多模二极管输出的泵浦光耦合进双包层光纤中,或者利用在输入端有单模光纤的耦合器直接把数个带有尾纤的多模二极管输出的泵浦光耦合进双包层光纤中,光纤光栅刻在单模光纤上,如图7所示。
图7 T aper 型光纤耦合结构示意图
F i g .7 s truct ure d i agra m of fi b er -t aper -coup l ed syste m
3.3 光学谐振腔技术
制备合适的光学谐振腔是高功率掺镱双包层光纤激光器又一项关键技术。目前,高功率掺镱光纤激光器的谐振腔主要有三种:一是采用双色镜构成谐振腔,这种方法给泵浦光的耦合以及光纤激光器的封装都带来很大困难,不利于光纤激光器的实用化和商品化;二是在光纤端面直接镀膜,这种方式结构简单,但是高功率输出时容易造成膜的损伤;三是采用光纤光栅做谐振腔,这种腔结构消除了腔镜与光纤间的耦合损耗,而且可以实现掺镱光纤激光器的调谐输出;该类腔结构简单、紧凑,可实现全光纤集成,有利于实用化、商品化。
4 高功率掺镱双包层光纤激光器的应用
掺镱双包层光纤激光器以其优越的性能,在高功率激光器的应用方面,已成为首选产品,广泛应用于工业、通信、医疗、军事等领域。
在工业领域,以其高功率、光束质量好、长寿命等特点可被应用于快速打标、切割、焊接、打孔、激光微加工、材料处理等行业;在通信领域,包层泵浦的光纤可以把廉价的多模LD 的能量集中起来,使之变为可用的单模高能信号光束,掺镱(或掺铒)光纤在1550nm 光通信窗口可直接放大信号;包层泵浦的光纤激光器由于结构紧凑、价格相对低廉和无气体、染料、溶剂等而特别适应于医学应用。瓦级的窄带1083nm 掺镱光纤激光器可以通过自旋偏振氦气,对低密度生物组织进行医学成像。光纤激光器倍频光可治疗皮肤癌和去纹身。利用倍频晶体和通过喇曼频移及参量波长变换技术,可以由包层泵浦激光器得到从紫外到中红外任意波长的激光,满足
不同医学应用的要求[9]
。另外,掺镱光纤激光器也可以作为掺铒光纤放大器的泵浦源。
835
激光与红外 N o .9 2006 赵玉辉 郑 义 詹 仪等 高功率掺镱双包层光纤激光器
5高功率掺镱双包层光纤激光器的研究进展自1988年Snitzer等人提出双包层光纤之后,基于该技术的光纤激光器,特别是掺镱双包层光纤激光器获得了快速的发展。1994年H.M.Pask等首先在掺Yb3+的石英光纤中实现包层泵浦,得到了0.5W的最大激光输出,斜效率达到80%[10];1997年报道了35.5W的波长为1100nm的掺Yb3+双包层光纤激光器[11];2002年l P G公司公布了2000W 的掺Yb3+双包层光纤激光器;2004年建成10k W掺Yb3+双包层光纤激光器;2005年,推出了2000W单模光纤激光器,17k W光纤激光器进入生产线;最近,l P G公司宣布在柏林成功为B AM安装了一台2万瓦掺镱光纤激光系统;现在I PG生产、销售连续掺镱光纤激光系统,功率可高达50k W,主要应用于不同的工业领域中各种材料加工[12]。
国内关于双包层光纤激光器的研究始于20世纪90年代末。1999年,南开大学与电子46所成功的合作研制出国内第一根大包层尺寸、大数值孔径的掺Yb3+双包层光纤,并进行了一系列的实验研究[13];2000年,上海光机所首次报道了输出功率3.84W,斜效率55%的掺Yb3+双包层光纤激光器的实验结果[14];2002年,南开大学报道了国内第一台全光纤掺Yb3+双包层光纤激光器,输出功率1.2W; 2004年,清华大学报道了双端侧向泵浦掺Yb3+双包层光纤激光器,实现137W的激光输出;2004年底,上海光机所与烽火科技公司合作,采用掺镱D 形双包层光纤,获得了444W的激光输出,转化效率70%以上[15],这是国内已报道的输出功率最高的掺镱光纤激光器。另外,长春光机所、深圳大学、复旦大学等科研机构和高校也开展了这方面的研究工作。
6展望
高功率掺镱双包层光纤激光器作为新一代高功率激光器的代表,其发展方向主要表现在以下几个方面:
(1)进一步提高单根光纤输出功率,输出功率从百瓦级向千瓦级发展;
(2)进一步提高光纤激光器的性能,从连续光纤激光器向高功率脉冲激光器发展,从常规的组束技术向相干组束技术发展,以保持高功率光纤激光良好光束质量;
(3)高功率光纤激光器的实用化研究,提高稳定性,使其更加小巧紧凑。
高功率掺镱光纤激光器的发展异常迅速,国外一些公司不断推出更高功率的产品,实际应用愈来愈广泛。据Laser Focus W orld报道,光电子工业将是一支重要产业,在未来几年,其产值预计可达400亿美元。可见,激光技术的应用具有广阔的前景。由于掺镱光纤激光器的优良的性能,决定了体积庞大的其他传统的高功率激光器(比如高功率CO2激光器和YAG激光器)势必被这种高功率、高效率、长寿命、小体积、灵活小巧的光纤激光器所替代,而应用于大型的激光加工(包括切割、焊接、打孔等)、材料处理、医疗等众多领域。而且可使设备体积减小,节约空间,降低费用。因而,这种新型高功率光纤激光器具有非常广阔的潜在市场和美好的应用前景,并将逐步取代传统的激光器。
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836激光与红外第36卷
高功率IPG光纤激光器应用简介 一、IPG光纤激光器简介 1.光纤激光器简介 光纤激光器是指用掺稀土元素玻璃光纤作为增益介质的激光器，光纤激光器可在光纤放大器的基础上开发出来:在泵浦光的作用下光纤内极易形成高功率密度，造成激光工作物质的激光能级“粒子数反转”，当适当加入正反馈回路(构成谐振腔)便可形成激光振荡输出。 2.光纤激光器的优势 首先是使用成本低，光纤激光器替代了不稳定或高维修成本的传统激光器。其次，光纤激光的柔性导光系统，非常容易与机器人或多维工作台集成。第三，光纤激光器体积小，重量轻，工作位置可移动。第四，光纤激光器可以达到前所未有的大功率(至五万瓦级)。第五，在工业应用上比传统激光器表现更优越。它有适用于金属加工的最佳波长和最佳的光束质量，而且光纤激光器在每米焊接和切割上的费用最低。第六，一器多机，即一个激光器通过光纤分光成多路多台工作。第七，免维护，使用寿命长。最后，由于其极高的稳定性，大大降低了运行中对激光质量监控的要求。简单来说就是高功率下的极好光束质量，高光束质量下的极好电光效率，高功率高光束质量下的极小体积、可移动性和柔性。 3.IPG简介 全球最大的光纤激光制造商IPG Photonics由Valentin Gapontsev博士于1991年创建，总部设在美国东部麻省。IPG在德国、美国、俄罗斯和意大利设有生产、研发基地，并在全球设有销售和服务网点，覆盖美国、英国、欧洲、印度、日本、韩国、新加坡和中国，并于2006年在美国纳斯达克上市。
十八年来，IPG致力于纵向合成，所有的核心配件均为IPG研发、生产和拥有，同时也是唯一一个能为客户提供高性价比的光纤和半导体激光器的厂家。 高功率是IPG的优势。全世界已有上千台IPG的高功率(>1KW)光纤激光器在汽车制造、船舶制造、海上平台和石油管道、航空航天和技术加工等工业领域中得以应用。在日本，我们向丰田、三菱、住友在内的客户售出了数百台IPG的大功率光纤激光器。这些激光器的成功应用，说明了IPG光纤激光已成熟，且成为制造业的技术工具之一。依近期国内各厂家、院校、集成商对IPG光纤激光器大量的订单来看，光纤激光在中国市场广泛应用的局面会很快到来，尤其是在金属加工(切割、焊接、熔覆、快速成型等)方面。 二、高功率光纤激光应用领域 1.激光焊接领域的应用 光纤激光器的光束质量好，连续功率大，适用于深熔焊和浅表热导焊。连续激光通过调制可提供激光脉冲，从而获得高峰值功率和低平均功率，适用于需要低热输入要求的焊接。由于高功率激光的调制频率高达1万赫兹，因而能够提高脉冲焊接的产能。光纤输送方式使激光能够灵活地集成在传统焊钳、振镜头、机器人和远程焊接系统内。无论采用何种光束输送方式，光纤激光器都具有无可比拟的性能。典型的点焊应用包括依靠振镜头传送光束，从而完成剃须刀片和硬盘挠曲的焊接，从而充分地利用光纤激光器的脉冲功能。光纤激光器的光斑小，焦距长，因而远距离激光焊接的能力大大提高。1-2米的工作间距与传统机器人相比使工作区域提高了数倍，配备光纤激光器的远程焊接工位包括车门焊接、多点焊接和整个车身框架的搭接焊接。光纤激光器焊接的其它例子包括传动部件全熔焊、船用厚钢板深熔焊、电池组密封焊接、高压密封等等。图1展示了光纤激光焊接的效果。
双包层光纤是由掺杂纤芯、内包层、外包层、保护层4部分组成, 纤芯作为激光的波导，掺杂了镱离子，由于内包层包绕在纤芯的外围，耦合入内包层的多模泵浦光在内包层反射时，进入纤芯区域，就被镱离子所吸收，产生粒子数反转，当增益足够强时，就将多模泵浦光高效地转换为单模激光。双包层掺杂光纤与普通的单模光纤相比, 除了纤芯和内包层之间满足单模光纤条件外, 还有一层低折射率的外包层 ,使两个包层之间形成一个多模光波导层, 外包层的折射率小于内包层的折射率，内包层的折射率小于纤芯的折射率，其横向尺寸和数值孔径均远大于纤芯，这样就可以比较容易地将高功率的多模半导体激光泵浦入光纤，并被限制在内包层中传输，不扩散，有利于保持高功率密度光泵。 针对石英玻璃掺杂稀土离子浓度低的缺点,选择对稀土离子具有较高溶解度的磷酸盐玻璃作为增益介质，大大提高了Yb2O3掺杂浓度。并通过熔融过程中通入纯氧和CCl4解决除水问题，提高Yb3+荧光寿命。 内包层采用与纤芯同基质的磷酸盐玻璃，确定纤芯数值孔径，通过调节组分严格控制内包层玻璃的折射率。玻璃折射率与玻璃分子体积和玻璃内阳离子的极化率有关，极化率越大，折射率越大；分子体积越小，折射率越大。阳离子极化率决定于离子半径及其外电子层结构，原子价相同的阳离子其半径越大，极化率越高,且氧离子与周围阳离子之间的键力越大，则氧离子的外电子被束缚得越牢固,其极化率也越小。故当阳离子半径增加时不仅其本身极化率上升而且提高了氧离子极化率。通过改变配方组分可以直接对磷酸盐玻璃的折射率产生影响。 外包层选用自制的磷酸盐玻璃，通过掺入氟化物降低外包层玻璃的折射率， 并掺入B 2O 3 稳定玻璃的网络结构，提高玻璃的热力学性能，以满足光纤拉制要求。 在此基础上采用管棒法拉制双包层磷酸盐光纤。
浅析高功率光纤激光器 高功率光纤激光器，是相对于光纤通讯中作为载波的低功率光纤激光器而言（功率为mW级），是定位于机械加工、激光医疗、汽车制造和军事等行业的高强度光源。高功率光纤激光器巧妙地把光纤技术与激光原理有机地融为一体，铸造了21世纪最先进和最犀利的激光器。即使是在激光技术发达的国家，光纤激光器也是尖端、神秘和充满诱惑的代名词。2002年6月，光纤激光器空降中国，震撼了中国激光学术和产业界，引起了尊至院士的深情关注！ 一、光纤技术 光纤激光器的最大特点就是一根光纤穿到底，整台机器高度实现光纤一体化。而那些只在外部导光部分采用光纤传输或者LD泵浦源采用尾纤来耦合的激光器都不是真正意义上的光纤激光器。 光纤是以SiO2为基质材料拉成的玻璃实体纤维，主要广泛应用于光纤通讯，其导光原理就是光的全反射机理。普通裸光纤一般由中心高折射率玻璃芯(芯径一般为9-62.5μm)、中间低折射率硅玻璃包层(芯径一般为125μm)和最外部的加强树脂涂层组成。〈见图一〉光纤可分为单模光纤和多模光纤。单模光纤：中心玻璃芯较细(直径9μm+0.5μm)，只能传一种模式的光，其模间色散很小，具有自选模和限模的功能。多模光纤：中心玻璃芯较粗(50μm+1μm)，可传多种模式的光，但其模间色散较大，传输的光不纯。 用于高功率光纤激光器中的光纤不是普通的通讯光纤，而是掺杂了多种稀有离子、结构更为复杂、耐高辐射的特种光纤---双包层光纤。
双包层光纤比普通光纤在纤芯外多了一个内包层，对泵浦光而言是多模的，直径和受光角较大，能大肆吸收高亮度的多模泵浦光，在光纤内聚集大量的光子。实践证明：横截面为D型和矩形的双包层光纤具有95%的耦合效率因而得到广泛应用。对于脉冲光纤激光器而言，一个重大的课题就是如何提高光纤的耐辐射能力。目前世界上光纤激光器的单脉冲能力可以达到20,000W，一根头发丝大小的光纤如何能承受如此高的激光辐射？所以必须考虑在光纤内掺杂某种特殊离子防止光纤被烧坏。比如掺杂了铈离子的光纤就是在核辐射情况下，既不会因染色而失去透光能力，更不会受热变形。 二、传统固体激光器 激光器说白了就是一个波长转换器---波长短的泵浦光激励掺杂离子转换成长波长的光辐射，它一般由3部分组成：工作物质、谐振腔和泵浦系统。由于光纤激光器本质上属于固体激光器，所以在此仅比较一下传统Nd:YAG激光器的特性。 工作物质： 工作物质是固体激光器的心脏，它的物理性质由基质材料决定，光谱性质由激活离子内的能级结构决定。在YAG单晶体中掺入三价的Nd3+，便构成了目前广泛应用的YAG激光晶体。它主要有如下明显的特点： 1、YAG棒生长速度很慢，一般小于1mm/h。目前最大晶体棒的直径为40mm，长180mm，所以激光增益从根本上受到限制，无法实现特高功率激光输出。
第２６卷第９期强激光与粒子束Ｖｏｌ．２６，Ｎｏ．９ ２０１４年９月ＨＩＧＨ ＰＯＷＥＲ ＬＡＳＥＲ ＡＮＤ ＰＡＲＴＩＣＬＥ ＢＥＡＭＳ Ｓｅｐ．，２０１４ ２μｍ波段全光纤保偏被动锁模掺铥光纤激光器＊ 曹丁象１，２，３， 张宝夫４， 王兴龙１ （１．光库通讯（珠海）有限公司，广东珠海５１９０８０； ２．天津大学精密仪器与光电子工程学院，天津３０００７２； ３．解放军７５７３１部队，广东深圳５１８１１２； ４．中山大学物理科学与工程技术学院，广州５１０２７５） 摘 要： 报道了２μｍ波段的全光纤保偏锁模掺铥光纤激光器，通过在法布里－珀罗（Ｆ－Ｐ）腔内加入半导 体可饱和吸收镜做为被动锁模器件，采用主振－放大构型，获得了最高输出平均功率为１．０８Ｗ，重复频率为１０． ２４ＭＨｚ，脉冲宽度为１５．２４ｐｓ，中心波长为２０５４．６８ｎｍ，光谱宽度约为０．３ｎｍ的２μｍ线偏振激光脉冲输出， 激光脉冲的消光比为２４．１７ｄＢ。 关键词： 光纤激光器； 被动锁模； 半导体可饱和吸收镜； 掺铥光纤 中图分类号： ＴＮ２４８．１ 文献标志码： Ａ ｄｏｉ：１０．１１８８４／ＨＰＬＰＢ２０１４２６．０９１０１４ ２μｍ波段光纤激光器在军事对抗、医疗、先进制造业及光伏太阳能等产业中均有着广泛的应用需求［１－３］。在医疗方面，２μｍ波长高功率掺铥光纤激光器成为高精度外科手术的优良候选光源。在材料处理方面，２μｍ激光器在材料处理特别是塑料处理方面非常具有吸引力。激光传感和自由空间光通信方面，２μｍ激光波长是人眼安全的波长，该波长会被晶状体吸收而不会达到视网膜，对眼睛的损伤阈值比短波长更高，因此人眼安全的２μｍ波长激光器具有非常大的潜在市场。杨末强等研究了增益开关锁模２μｍ铥钬共掺光纤激光器［４］，该激光器腔内不需要锁模器件，结构简单、紧凑，但是输出功率受限于泵浦功率。王雄等研究了全光纤主动锁模２μｍ掺铥脉冲激光器［５］。基于半导体可饱和吸收体（ＳＥＳＡＭ）的锁模光纤激光器具有环境稳定性高、易于自启动等优点，其已经成为被动锁模的研究热点之一［６－８］。刘江等研究了全光纤结构ＳＥＳＡＭ被动锁模２．０μｍ掺铥光纤激光器［７］，得到了８ｎＪ的高能量ｐｓ脉冲，但是该激光脉冲为非偏振光。 本文采用ＳＥＳＡＭ作为激光锁模器件，双包层单模掺铥光纤（ＴＤＦ）作为激光增益介质，通过“全光纤嵌入结构”保偏、锁模掺铥光纤激光器的设计，实现了２μｍ波段ｐｓ激光脉冲偏振光输出。 １ 实验装置 掺铥双包层大模场光纤锁模激光器的实验装置如图１和图２所示。考虑到锁模激光脉冲的稳定性及ＳＥＳＡＭ的损伤问题，激光器采取了“种子源振荡器＋功率放大器”（ＭＯＰＡ）结构，首先通过主振荡器（ＭＯ）获得数十ｍＷ量级的锁模脉冲输出，然后经功率放大器（ＰＡ）将激光功率提升至目标功率水平。锁模掺铥光纤激光振荡器采用输出波长为７９３ｎｍ的半导体激光器作为泵浦源，其最大功率为５Ｗ。泵浦光通过泵浦合束器耦合进长度为２．１ｍ的１０／１３０μｍ（“／”符号前后分别代表芯径直径和内包层直径）的高掺杂浓度、双包层大模场掺铥光纤中。在增益光纤之后通过熔接３ｍ长的ＳＭＦ－２８光纤来增加激光器腔长，以调节锁模激光的重复频率，同时该光纤也起到了剥离残余泵浦光的作用。ＳＥＳＡＭ作为激光器系统的锁模元件，与另 Ｆｉｇ．１ Ｓｃｈｅｍａｔｉｃ ｏｆ ｔｈｅ ｐｏｌａｒｉｚｅｄ，ｐａｓｓｉｖｅｌｙ ｍｏｄｅ－ｌｏｃｋｅｄ ｔｈｕｌｉｕｍ ｄｏｐｅｄ ｆｉｂｅｒ ｓｅｅｄ ｌａｓｅｒ 图１ 保偏锁模掺铥光纤激光器种子源示意图 ＊收稿日期：２０１３－１２－１６； 修订日期：２０１４－０５－０７ 基金项目：广东省中国科学院全面战略合作项目（２０１０Ｂ０９０３０００６３）
附录A （规范性附录） 内包层直径试验方法 A.1 概述 本方法适用于双包层铒镱共掺光纤内包层直径的测试。 双包层铒镱共掺光纤内包层形状涉及多种多边形，应根据被测光纤内包层实际情况对其内包层直径进行测试。 当双包层铒镱共掺光纤内包层为N（N＞3）边形时，取任意连续不同的三条边进行切线圆拟合，共取3次，取3次拟合圆直径平均值作为内包层直径。并取中间值拟合圆圆心作为内包层中心与纤芯计算纤芯/内包层同心度误差。例如，六边形内包层光纤6条边依次为L1、L2、L3、L4、L5、L6，则可取L1、L2、L3三边，取L2、L3、L4三边，取L3、L4、L5三边分别作切线圆。如图B.1所示。 图A.1 六边形内包层切线圆示意图 图A.2是典型的八边形内包层双包层铒镱共掺光纤结构示意图 图A.2 典型的八边形内包层双包层铒镱共掺光纤结构示意图 A.2 测量设备 A.2.1 光学显微镜 采用具备配套几何尺寸拟合软件的光学显微镜。
A.3 试样制备 A.3.1 端面处理 剥去光纤一端的涂覆层，清洗干净，用专用光纤切割刀处理端面。 A.3.2 光纤放置 将光纤放置在光学显微镜下通过程序拟合多边形切线圆。 A.4 测试条件 在测量期间，温度15℃~35℃，湿度45%~60%。 A.5 测试步骤 A.5.1 接通测量系统相关仪器的电源，按规定进行预热。 A.5.2 把制备好端面的被测光纤放置在光纤显微镜中。 A.5.3 调整焦距及位置，保证被测光纤端面处于显微镜正中。 A.5.4 用拟合软件连续3次对不同三边进行切线圆拟合，并计算对应切线圆直径分别为D1、D2、D3。 A.5.5 取三个切线圆直径均值作为内包层直径D。 A.6 计算 内包层直径计算见公式（B.1）： ()………………………………………………(A.1) 式中： D—内包层直径； D1—（L1、L2、L3）三边切线圆直径，单位为微米（μm）； D2—（L2、L3、L4）三边切线圆直径，单位为微米（μm）； D3—（L3、L4、L5）三边切线圆直径，单位为微米（μm）。
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
20W MOPA光纤激光器应用介绍 应用工程师：无锡创永激光刘工 2016年7月18日
20W MOPA参数表 长脉宽单脉冲能量高，热效应明显，窄脉宽单脉冲能量低，热效应弱；高频率，平均功率高，热效应明显，低频率（10KHz），平均功率低，热效应弱；低扫描速度，低填充密度，激光能量集中，热效应明显，高扫描速度，中等填充密度（），激光能量分散，热 效应弱。
固定脉宽，100%功率，频率由小增大，平均功率线性增大，直至降功率频率（4ns400KHz），降功率频率到最大频率，功率趋于稳定。 固定脉宽，100%功率，频率由小增大，峰值功率增大，直至降功率频率（4ns400KHz），降功率频率到最大频率，峰值功率呈反比例函数递减。 其他脉宽类似。 MOPA光纤激光器，脉宽可调，脉冲频率范围大，应用范围十分广泛，本文中介绍了20W MOPA光纤激光器部分常见应用，用于20W MOPA应用介绍和推广。其中不同材料参数设置有所差异，文中参数
可作为参考，如有不同之处，敬请谅解。
1. 阳极氧化铝标刻 小米手机壳阳极氧化铝标刻黑色LOGO 小米充电宝阳极氧化铝标刻白色LOGO 阳极氧化铝上标刻黑色二维码，显微镜下可扫描 2. 304不锈钢标刻 304不锈钢打彩色LOGO 304不锈钢名牌标刻黑色 304不锈钢深雕 3.部分高分子材料标刻 公牛插座、苹果手机数据线等某些白色高分子材料标刻深色 PA66+、PE等某些黑色高分子材料标刻浅色 4. 电子器件标刻 电解电容标记黑色参数 PCB板标刻白色二维码和参数 电镀电子器件标刻 IC芯片等电子器件参数标刻 5. 漆剥除 汽车、电脑、手机等透光件漆剥除 亚克力瓶、橡胶按键表面漆剥除 电脑铝制外壳导通处漆剥除 6. 铜制器件标刻 黄铜件标记白色尺寸参数 7. 微弧氧化铝合金标刻黑色名牌 8. 碳钢轴承标记黑色参数 9. 铝箔、锡箔、铜箔切割
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.
中红外光纤激光器 摘要 位于2~5μm中红外波段的激光在国防、医疗、通信方面有着特殊的 重要应用。利用固体激光器泵浦稀土离子掺杂的玻璃光纤产生荧光发射是 直接获得2～5 μm 波段中红外激光的有效途径，具有光束质量好、体积 小、转换效率高、散热效果好等优点。本文介绍了中红外光纤激光器的原 理、研究现状和发展前景。对中红外光纤激光器的发展和研究方向进行了 阐述。 关键词：中红外；光纤激光器；稀土离子；硫化物光纤；氟化物光纤 一、中红外光纤激光器简介 1.1 中红外激光 位于2~5μm中红外波段的激光在国防、医疗、通信方面有着特殊的重 要应用。它位于大气“透明窗口”,处于大多数军用探测器的工作波段, 可 以进行战术导弹尾焰红外辐射模拟、人眼安全的激光雷达、激光定向红外 干扰等军事用途。在民用领域可用于遥感化学传感、空气污染控制，它还 可以用于新一代激光手术,使血液迅速凝结,手术创面小、止血性好（水分 子在3μm附近有很强的吸收峰）此外，采用2～5 μm 替代目前广泛使用 的1.55 μm 作为光纤通信工作波长也是一项极具研究价值的课题，由于 材料的Rayleigh 散射与光波长的四次方成反比，采用2～5 μm 作为工 作波长可以有效降低光纤损耗，增加无中继通信的距离。因此，研发中 红外波段的激光器对于国家安全和国民经济建设具有十分重要的意义。 获得中红外激光的方法有间接方法和直接方法。其中间接方法包括： (1) CO2激光器的倍频及差频输出 (2) 利用非线性红外晶体采用非线性频率变换或光学参量振荡技术 将其它波段激光调谐到中红外波段 直接方法包括： (1)以氟化氘等为介质的化学激光器 (2) 以AlGaAsSb，InGaAsSb，InAs/(In)GaSb 等锑化物窄禁带半导 体、过渡金属离子掺杂的Ⅱ–Ⅵ族半导体制作的中红外激光器 (3)近红外半导体激光泵浦的稀土离子或过渡金属离子掺杂的玻璃、
增益平坦型铒镱共掺双包层光纤放大器及其应用 增益平坦型铒镱共掺双包层光纤放大器及其应用 摘要：波分复用是光纤CATV系统进一步升级的主要方向。本文对增益平坦型铒镱共掺双包层光纤放大器（GF-EYDCFA）进行了理论和实验研究，相关数据表明，武汉光迅科技股份有限公司（简称光迅科技）开发的GF-EYDCFA能实现1543-1565nm范围内多波长光信号的增益均衡放大，其输出功率在1W以上，增益平坦度(<0.25dB)和噪声指数(<5.5dB)等关键指标均达到掺铒光纤放大器（EDFA）的水平。结合光迅科技相关产品的应用实例，本文还讨论了GF-EYDCFA在波分复用光纤CATV系统中的应用，分析表明，GF-EYDCFA能弥补EDFA功率水平偏低的不足，同时解决级联EDFA 造成的增益平坦度劣化问题。 关键字：EDFA，WDM，铒镱共掺，双包层光纤，CATV 1引言 光纤，因其近乎无限的带宽，成为信息爆炸时代无可替代的信息传输媒质，而波分复用（WDM）方式则是利用光纤带宽的最有效方法。目前主干网的光传输都利用了WDM 技术，而光纤CATV系统还是以单波长应用为主，因此光纤的带宽利用率很低。今后，随着CATV网络容量的增加以及业务管理灵活性的提高，应用WDM技术的光纤CATV 系统会越来越受到重视。 掺铒光纤放大器（EDFA），因其补偿了光纤线路中C（L）波段光信号的衰减，极大地延长了中继距离，是光纤通信蓬勃发展的关键因素。对于光纤CATV网，其光功率分配数目一般都比较大，因此对光放大器的输出功率要求都比较高。而由于EDFA的单模泵浦机理限制了泵浦功率（980nm/1480nm）水平，传统的EDFA很难实现高功率输出或者单位功率的成本非常昂贵，据了解，目前商用EDFA的最大饱和输出功率为500mW 左右，这显然很难满足光纤CATV系统的应用要求。为了获得高功率输出，铒镱共掺双
目录 第一章、激光基础 第二章、激光器 第三章、光纤的特性 第四章、光纤激光器 第五章、实验室激光器型号及操作安全
第一章激光基础 1.1什么是激光？ 激光在我国最初被称为“莱赛”，即英语“Laser”的译音，而“Laser”是“Light amplification by stimulated emission of radiation”的缩写。意为“辐射的受激发射光放大”，大约在1964年，根据钱学森院士的建议，改名为“激光”。激光是通过人工方式，用光或者放电等强能量激发特定的物质而产生的光。 激光的四大特性：高亮度、高单色性、高方向性、高相干性。具有高亮度的激光束经过透镜聚焦后，能在焦点附近产生数千度乃至上万度的高温，这就使其能够加工几乎所有材料。由于激光的单色性极高，从而保证了光束能精确地聚焦到焦点上，得到很高的功率密度。 1.2激光产生的基本理论 1.2.1原子能级和辐射跃迁 按照玻尔的氢原子理论，绕原子核高速旋转的电子具有一系列不连续的轨道，这些轨道称为能级,如图1-1。 图1-1 原子能级图
当电子在不同的能级时，原子系统的能量是不相同的，能量最低的能级称为基态。当电子由于外界的作用从较低的能级跃迁到较高的能级时，原子的能量增 图1-2 电子跃迁图 加，从外界吸收能量。反之，电子从较高能级跃迁到较低能级时，向外界发出能量。在这个过程中，若原子吸收或发出的能量是光能（辐射能），则称此过程为辐射跃迁。发出或吸收的光的频率满足普朗克公式（hv=E2-E1）。 1.2.2受激吸收、自发辐射、和受激辐射 受激吸收：处于低能级上的原子，吸收外来能量后跃迁到高能级，则称之为受激吸收。 自发辐射：由于物质有趋于最低能量的本能，处于高能级上的原子总是要自发跃迁到低能级上去，如果跃迁中发出光子，则这个过程称为自发辐射。
掺铥光纤激光器 1、掺铥光纤激光器 掺铥光纤激光器的光谱可调谐范围更宽（~1600 nm-2200 nm），该波段处于人眼安全波段且包含了1940 nm附近的水吸收峰，对组织的穿透深度浅，且还包含几个大气窗口及特殊气体的吸收峰。与同时处于人眼安全波段掺铒或铒镱共掺1550 nm激光器相比，掺铥光纤激光器的光光转换效率可达60%以上；且位于铥离子吸收带的790 nm半导体激光器技术成熟，可提供高功率泵浦源；此外，此波段泵浦时，量子转换效率为200%。掺铥基质为石英光纤，也容易实现高功率输出。 对于掺铥光纤激光器的研究，连续输出已达千瓦量级，如：飞秒150 W的功率输出，皮秒也达到百瓦的输出功率水平，相比之下，单脉冲能量较高的纳秒量级脉冲输出平均功率较低，且多数为空间泵浦结构，最高仅为110 W。793 nm 半导体泵浦激光器的输出功率已达数百瓦，所以掺铥光纤激光器的输出功率可更高。且与掺镱光纤激光器相比，掺铥光纤激光的受激布里渊散射和受激拉曼散射的产生阈值要高4倍以上，光纤端面的损伤阈值也高出近10倍，在高功率输出方面优势更加明显。目前高功率、可调谐掺铥光纤激光器正处于研究的热点。 2、研究进展 (1)、纳秒脉冲掺铥光纤激光器研究进展（主动调Q）： 输出参数 （脉冲能量/功率、斜率效率/重频、脉宽） 是否 全光纤结构 研究单位 4 W，4 kHz，130 ns 否加拿大信息技术研究12.3 W，100 kHz，4 5 ns 否法德研究所 33 W，13.9 kHz，15 ns 否耶拿大学应用物理研究所52 W，50 kHz，822 ns 是新加坡南洋理工大学 (2)、皮秒/飞秒脉冲掺铥光纤激光器研究进展（锁模）： 平均功率，重复频率，脉宽，实现方式 是否 全光纤结构 研究单位 3.1 W，100 MHz，108 fs，CPA 否美国IMRA公司5.4 W，100 kHz，300 fs，SESAM/CPA 是美国PolarOnyx公司 7 W，2 MHz，33 ps，电流调制否英国南安普顿大学 152 W，49.1MHz，~700 fs，CPA 否德国耶拿大学
大模场直径（LMA）双包层掺铒光纤 Liekki公司采用专利的纳米粒子直接掺杂（Direct Nanoparticle Deposition :DND）技术推出了第一款双包层大模场直径的掺铒光纤，Er60-125DC，是掺铒光纤领域的最新尝试，和市场上传统的用于低功率光纤激光器和放大器的单包层掺铒光纤，以及用于高功率的铒镱共掺双包层光纤相比，Er60-125DC双包层掺铒光纤具有出色的效率。该光纤具有极高的铒离子掺杂浓度，保证光纤的高转换效率，20um的纤芯直径可以保证高功率的应用，同时只有0.07的纤芯数值孔径能够确保高质量的光束输出，八面形125um直径的包层易于使用，也可以方便和传统光纤相连。Er60-125DC已经展示了非常出色的性能，在980nm泵浦的情况下，该光纤的转换效率>30%,激光的发射谱能够高达1.6um波段。 Liekki公司的产品经理Mr. Mikko Soderlund说：Er60-125DC双包层掺铒光纤的研制成功非常清楚地展示了纳米粒子直接掺杂（Direct Nanoparticle Deposition :DND）技术的能力和质量，Er60-125具有高的掺杂浓度，大的纤芯/包层比，低粒子聚集，和低的背景损耗。采用传统的光纤制作工艺不能把这些特性融合在一起制作高质量的光纤。Er60-125DC的出现将完全打开1.5um波段这一人眼安全波长领域的一些新的应用机会，同时为在这个核心平台上进一步开发其他芯径/包层的双包层掺铒光纤，其他类型的光纤例如偏振保持和全玻璃双包层掺铒光纤留下空间，从而满足更多客户的应用需求。 Er60-125DC将为1.5-16um波段带来很多的应用机会，例如： 人眼安全波长的光纤激光器和光纤放大器 军用和商用激光雷达（Lidar） 单频光纤激光器 高峰值功率脉冲光纤放大器 超短脉冲光纤放大器 工业加工 医疗成像等领域和铒镱共掺双包层光纤相比，采用直接掺铒的方式可以避免一些铒镱共掺光纤众所周知的缺点，例如铒镱共掺光纤具有比较差的转换效率，转换效率的重复性差，纤芯数值孔径偏高，在1um波段有寄生光激发等等。Er60-125DC可以采用980nm或者1480nm泵浦，Liekki公司同时提供相匹配的（6+1）x1泵浦/信号合束器等产品用来满足实际应用的需求。
第36卷 第9期 激光与红外 V o.l 36,N o .9 2006年9月 LA SER & I NFRAR ED Septe m ber ,2006 文章编号:1001-5078(2006)09-0833-04 高功率掺镱双包层光纤激光器 赵玉辉1,2 ,郑 义1 ,詹 仪1 ,杨洪杰 1 (1.郑州大学河南省激光与光电信息技术重点实验室,河南郑州450052;2.山东理工大学,山东淄博255049) 摘 要:简要地概述高功率双包层掺镱光纤激光器的基本原理和关键技术,介绍其在工业、通 信、医疗等领域的应用,并对国内外的近期进展作了综述。关键词:双包层光纤激光器;包层泵浦;高功率中图分类号:TN248.1 文献标识码:A H i gh -power Yb -doped Double -clad F i ber Laser ZHAO Yu -hu i 1,2 ,Z H E NG Y i 1 ,Z HAN Y i 1 ,YANG H ong -jie 1 (1.H enan K ey L aboratory of Laser and O ptoe l ectronics Infor m a tion T echnology of Zhengzhou U n i v ers it y ,Zheng z hou 450052,Ch i na ;2.Shandong U n i versity o f T echno l ogy ,Z i bo 255049,Ch i na)Ab stract :T he pr i nciples and key techni que o f h i gh -pow er Y b -doped double -c lad fi ber l ase r are briefl y descr i bed .Its applica ti ons i n i ndustry ,comm un i cation ,m ed i ca l treat m ent are i ntroduced .T he latest progresses and deve lop m ent trends in the a rea are prospected .K ey w ords :doub l e -c lad fi ber laser ;c laddi ng -pu m p ;h i gh po w er 1 引 言 光纤激光器由于其诸多优点而倍受青睐。自20世纪80年代中期开发出掺稀土离子单模光纤制造技术以来,光纤激光器成为激光技术领域研究的热点。但是,由于泵浦光较难有效耦合到纤芯中,因此,光纤激光通常被认为是一种低功率光源。近年来,国际上发展了一种以双包层光纤为基础的包层泵浦技术,提高了光纤激光器的输出功率,改变了光纤激光器仅仅是小功率光子器件的历史。目前,掺镱双包层光纤激光器的输出功率与单模光纤激光器相比提高了几个数量级,而且具有光束质量好、结构紧凑小巧、全固化、低阈值、高效率等优点,因此,在工业加工、光通信、医学、印刷、激光测距等领域具有 广泛的应用前景[1-2] 。本文简要介绍了高功率掺镱光纤激光器的机理、关键技术与应用、以及近几年的研究进展和发展方向。 2 掺镱双包层光纤激光器的基本原理和特点 图1为一个纵向泵浦的光纤激光器的基本结构图。一段掺镱离子的双包层光纤放置于两反射率经过选择的腔镜间,泵浦光从光纤激光器的左边腔镜耦合进光纤。光纤激光器是一个波导型的谐振装置,光波的传输介质是光纤,这种结构实际上是 Fabr y -Po r o t 谐振腔结构。在光纤激光器中,非常细 的掺镱光纤纤芯就充当了光纤激光器的增益介质,由于外加泵浦光的作用,在光纤内便很容易形成高功率密度,从而引起激光工作物质的粒子数反转,从纤芯输出激光。 图1 双包层光纤激光器原理示意图F i g .1 sche m atic d iagra m of pri n ci p l e confi gu ration f or doub le -cl ad fi b er l aser 由于双包层掺镱光纤激光器是波导式结构,因 而具有可容强泵浦和高增益的特点,而且光纤本身具有良好的柔绕性、小尺寸和可掺杂等特点,从而使其具有很多优异的性能和特点。主要表现在: a)输出激光的光束质量好,激光器可以实现光 束质量达到近衍射极限(M 2 U 1)的单模高功率激光输出; b)掺镱双包层光纤激光器具有量子效率高、增 基金项目:河南省创新人才培训对象基金资助项目;河南省杰出青年基金资助项目(No .121001200)。 作者简介:赵玉辉(1973-),男,硕士生,主要从事光纤激光器技术的研究。E-m ai:l z haoyhs @163.co m 收稿日期:2006-03-09;修订日期:2006-04-11
摘要：光纤激光器技术是光学领域最为重要的技术之一，作为第三代激光技术的代表，其稳定性好、效率高、阈值低、线宽窄、可调谐、紧凑小巧和性价比高等优点，使得它在光纤传感、光纤通信、工业加工等领域都有着重要的应用。而掺镱双包层光纤激光器是国际上近年来发展的一种新型固体激光器。本文就介绍了这种高功率掺镱双包层光纤激光器，主要介绍了高功率掺镱双包层光纤激光器的概念、发展历史及发展现状、基本原理、优点、实现的关键技术、应用及其广阔的前景。同时总结出了未来光纤激光器的发展方向，并且可以预计光纤激光器最终将可能会替代掉全球大部分高功率CO2激光器和绝大部分Y AG激光器。 关键词：光纤激光器；掺镱双包层光纤激光器；光纤融合技术；激光加工。引言 光纤激光器是指用掺稀土元素玻璃光纤作为增益介质的激光器，虽然光纤激光器得到了社会各方面的广泛重视，但是光纤激光器并不是新型光器件。1961年，美国光学公司的Snitzer和Koester等在一根芯径300um的掺Nd3+玻璃波导中进行试验观察到了激光现象，并与1963年和1964年发表了多组分玻璃光纤中的光放大结果，提出了光纤激光器和光纤放大器的思想。1975～1985年中有关这个领域的文章较少，不过在这期间许多发展光纤激光器的必须工艺技术已趋于成熟[1]。上个世纪80年代后期，美国Polaroid公司提出了包层抽运技术，之后双包层光纤激光器，特别是掺镱双包层光纤激光器发展非常迅速。1994年，PASK 等首先在掺Yb3+石英光纤中实现了包层抽运，得到了0.5W的最大激光输出。1998年，Lucent技术公司的KOSINKI和INNISS报道了一种内包层截面形状为星形的掺Yb3+双包层光纤激光器，得到了20W的激光输出。1999年，DOMINIC等用4个45W的半导体激光二极管阵列组成总功率为180W的抽运源，在1120nm 得到110W的激光输出。2002年，IPG公司公布了2000W的掺Yb3+双包层光纤激光器。目前，该公司已经推出了输出功率为17kW的掺Yb3+双包层光纤激光器，虽然因为采用的是多组激光合束的方式，致使激光器的光束质量下降很大，但仍然在对功率要求高、光束质量要求不是很高的场合有非常好的应用前景。但如何提高功率，同时又保证光束质量，是当前研究要解决的难题之一。 在国内，关于掺Yb3+双包层光纤激光器的研究起步较晚。从上个世纪年80
收稿日期：２００５－０８－３０；修订日期：２００５－１１－２５ 作者简介：楼祺洪（１９４２－），男，浙江慈溪人，研究员，学士，主要从事光学、激光技术及其应用研究。 第３５卷第２期 红外与激光工程 ２００６年４月Ｖｏｌ．３５Ｎｏ．２ ＩｎｆｒａｒｅｄａｎｄＬａｓｅｒＥｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ Ａｐｒ．２００６ ０引言 自１９８８年Ｓｎｉｔｚｅｒ等人提出双包层光纤以来，基于这种包层泵浦技术的光纤激光器和放大器获得了快速发展。特别是近年来，随着高功率半导体激光器泵浦技术和双包层光纤制作工艺的发展，光纤激光器的输出功率水平快速提升，单根光纤的输出已经从最 初的几百毫瓦上升到了千瓦级水平［１］，并在高精度激光加工、激光医疗、光通信及国防等领域获得了广泛应用。 双包层光纤是由掺杂纤芯、内包层、外包层、保护层４部分组成，和常规光纤相比，多了一个可以传输泵浦光的内包层。纤芯由掺稀土元素的ＳｉＯ２构成，它作为产生激光的波导，一般情况下是单模的；内包层 高功率光纤激光器研究进展 楼祺洪，周军，朱健强，王之江 （中国科学院上海光学精密机械研究所，上海２０１８００） 摘要：高功率掺镱双包层光纤激光器由于在效率、散热和光束质量方面的优势，在工业加工、医疗和国防等领域具有广泛的应用前景，是目前国际上激光技术研究的热点之一。首先综述了国际上高功率光纤激光器的研究进展情况，然后重点介绍了中国科学院上海光学精密机械研究所在连续光纤激光和脉冲光纤激光方面所取得的进展，采用双端泵浦技术，在１５ｍ的国产双包层光纤中获得４４０Ｗ的连续输出，采用ＭＯＰＡ方式，以４ｍ长的国产光纤作为放大介质，在１００ｋＨｚ时，获得了１３３Ｗ的平均功率输出。 关键词：激光技术；光纤激光器； 双包层掺镱光纤 中图分类号：ＴＮ２４８ 文献标识码：Ａ 文章编号：１００７－２２７６（２００６）０２－０１３５－０４ Ｒｅｃｅｎｔｐｒｏｇｒｅｓｓｏｆｈｉｇｈ!ｐｏｗｅｒｆｉｂｅｒｌａｓｅｒｓ ＬＯＵＱｉ!ｈｏｎｇ，ＺＨＯＵＪｕｎ，ＺＨＵＪｉａｎ!ｑｉａｎｇ，ＷＡＮＧＺｈｉ!ｊｉａｎｇ （ＳｈａｎｇｈａｉＩｎｓｉｔｉｔｕｔｅｏｆＯｐｔｉｃｓａｎｄＦｉｎｅＭｅｃｈａｎｉｃｓ，ＣｈｉｎｅｓｅＡｃａｄｅｍｙｏｆＳｃｉｅｎｃｅｓ，Ｓｈａｎｇｈａｉ２０１８００，Ｃｈｉｎａ） Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｈｉｇｈ!ｐｏｗｅｒＹｂ!ｄｏｐｅｄｄｏｕｂｌｅ!ｃｌａｄｆｉｂｅｒｌａｓｅｒｓｈａｖｅｉｎｃｉｔｅｄｐａｒｔｉｃｕｌａｒｉｎｔｅｒｅｓｔａｓｅｆｆｉｃｉｅｎｔ，ｃｏｍｐａｃｔｌａｓｅｒｓｗｉｔｈｇｏｏｄｂｅａｍｑｕａｌｉｔｙｆｏｒａｖａｒｉｅｔｙｏｆａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎｓｉｎｉｎｄｕｓｔｒｙｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇ，ｍｅｄｉｃａｌｉｎｓｔｒｕｍｅｎｔｓａｎｄｎａｔｉｏｎａｌｄｅｆｅｎｓｅ．Ｉｎｔｈｉｓｐａｐｅｒ，ｔｈｅｒｅｃｅｎｔｐｒｏｇｒｅｓｓｏｆＣＷａｎｄｐｕｌｓｅｄｄｏｕｂｌｅ!ｃｌａｄｆｉｂｅｒｌａｓｅｒｓａｔＳＩＯＭａｒｅｒｅｐｏｒｔｅｄｕｐｏｎ．ＡＣＷ４４０Ｗｆｉｂｅｒｌａｓｅｒｉｓｄｅｍｏｎｓｔｒａｔｅｄｗｉｔｈｔｗｏｅｎｄｓｐｕｍｐｉｎｇｃｏｎｆｉｇｕｒａｔｉｏｎｂｙｕｓｉｎｇａ１５ｍｈｏｍｅ!ｍａｄｅｄｏｕｂｌｅ!ｃｌａｄＹｂ!ｄｏｐｅｄｆｉｂｅｒ．Ｆｏｒｐｕｌｓｅｄｏｐｅｒａｔｉｏｎ，ａ１３３Ｗａｖｅｒａｇｅ!ｐｏｗｅｒｏｕｔｐｕｔａｔ１００ｋＨｚｒｅｐｅｔｉｔｉｏｎｒａｔｅｉｓｏｂｔａｉｎｅｄｗｉｔｈ４ｍｄｏｕｂｌｅ!ｃｌａｄｆｉｂｅｒｂｙｕｓｉｎｇＭＯＰＡｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ． Ｋｅｙｗｏｒｄｓ：Ｌａｓｅｒｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ； Ｆｉｂｅｒｌａｓｅｒ； Ｙｂ!ｄｏｐｅｄｄｏｕｂｌｅ!ｃｌａｄｆｉｂｅｒ