的构想 , 但直到 20 世纪 80 年代, 随着激光二极管泵浦技术的发展和双包层结构光纤的提出 , 光纤激光 现于世
第 21 卷 第 6 期 山 东 科 学 Vol. 21 No. 6 2008 年 12 月 SHANDONG SCIENCE Dec. 2008
文章编号: 1002 4026( 2008) 06 0072 06
大功率光纤激光器技术及其应用 宋志强
( 山东省 科学院激光研究所, 山东 济南 250014)
摘要: 光纤激光器是当今光电子技术研究领域中最炙手可热的研究课题, 尤其是大功率光纤激光器, 已在很多
领域表现 出取代传统 固体激光 器和 CO 2 激光器 的趋势。本文 从光纤激 光器的结构 出发, 详细论述 了大功率
光纤激光器的工作原理和关键技术, 重点介绍了应用更为广泛 的脉冲型 光纤激光器 技术, 最后简单 列举了大
功率光纤激光器的优势及其在工业加工、国防、医疗等领 域里的应用情况。
关键词: 光纤激光器; 包层泵浦技术; 双包层掺杂光纤; 光纤光栅; 应用
中图分类号: TN249 文献标识码: A The Development of High Power Fiber Laser and Its Applications
SONG Zhi qiang
( Institute of Laser , Shandong Academy of Sciences , Jinan 250014, China )
Abstract: The technology of fiber lasers is one of research focuses topics in current optoelectronic area,
especially for a high power fiber opt ic laser that has exhibited a tendency substituting traditional solid
state laser and CO 2 laser in many areas. We fully expound its principles and some key technologies from
its structure, emphasize the technology of a pulse fiber optic laser that is more widely applied, and
enumerate its superiorit ies and applications in such areas industrial processing, national defense, medical
service, etc.
Key words: fiber optic laser; cladding pump; double clad rare earth doped fiber; fiber Bragg grating;
application
所谓光纤激光器就是利用稀土掺杂光纤作为增益介质的激光器, 它的发展历史几乎和激光器技术一样
长。早在 20 世纪 60 年代初, 美国光学公司的 E. Snitzer 等人就已经提出了掺稀土元素光纤激光器和放大器 [ 1]
[ 2]
器才进入了一个蓬勃发展的阶段。最近十年, 适合各种不同应用目的和领域的光纤激光器已雨后春笋般涌 [ 3- 5] 。
1 工作原理及关键技术
同其他类型激光器一样, 光纤激光器主要由泵浦源、谐振腔和增益介质三要素构成, 具体包括泵浦 LD 、 DCDF 、大模场 FBG 和光纤合束器等, 如图 1 所示。光纤激光器的所有器件均可由光纤介质制作, 因此光纤技 术是决定光纤激光器性能的关键因素。
收稿日期: 2008 08 23
基金项目: 山东省仪器设备改造项目资助( 2007GG1TC04039) 。
作者简介: 宋志强( 1982- ) , 男, 硕士, 主要研究方向为大功率光纤激光器技术。E mail: zhiqiangs@ gmail. com
纤 。这种光纤能更有效的提高泵浦光吸收系
出功率, 尤其是在脉冲光纤激光器中得到了体现 。另外, 光子晶体光纤( PCF)
第 6 期 特种光纤技术
1. 1 宋志强: 大功率光 纤激光器技术及其应用 图 1
-14大功率全光纤激光器结构原理图 73 起初, 光纤激光器采用直径小于 10 m 的掺杂纤芯作为激光和泵浦光的共同波导, 由于 LD 泵浦光只能 从面积极小的端面进入纤芯且只能采用单模 LD 泵浦, 导致泵浦耦合效率很低, 光纤激光器输出功率不高, 限制了其应用。1988 年, E. Snitzer 等人提出了基于包层泵浦技术的双包层结构光纤使得这一问题得到解决。 双包层光纤结构如图 2 所示, 它是在单包层光纤的基
础上围绕掺杂纤芯增加了一个内包层作为泵浦光的传
输波导, 多模泵浦光可在内包层中传输并不断穿越纤
芯而被其中的掺杂离子吸收, 而产生的激光仍由纤芯
波导传输以保证其高光束质量。双包层光纤的内包层
直径一般在 40~ 500 m, NA 一般在0. 2~ 0. 5 之间, 用
以传输大功率多模泵浦光; 掺杂纤芯直径一般在 5~
50 m, NA 在 0. 05~ 0. 22 之间, 对于具有大模场面积
图 2 双包层掺杂光纤结构原理图
的双包层光纤, 虽然理论上其纤芯支持多种模式, 但可
以通过弯曲损耗等方法使其输出单模激光。由于内包层有较大的截面积和数值孔径, 可容许千瓦级多模半 导体泵浦激光进入其中, 从而大大提高了光纤激光器的单模输出功率。纤芯的掺杂浓度以获得高泵浦吸收, 避免浓度淬灭效应和热学问题, 降低背景损耗为标准。
另外, 由于光纤结构的旋转对称性, 双包层掺杂光纤对泵浦光的吸收效率很低。为了打破泵浦光在内包 层中的旋转对称性, 常用的方法是采用矩形、方形、梅花形、多边形、D 形以及偏心结构等内包层结构, 见图
3。圆形内包层结构的双包层光纤易于制备和熔接, 但对泵浦光的吸收效率最低。偏心结构以及矩形等非圆 形内包层结构的双包层光纤对泵浦光的吸收效率很高, 但与常规光纤的熔接很困难。而多边形和 D 形内包 层结构的光纤不仅对泵浦光有很高的吸收效率, 而且易于与其他光纤低损耗熔接。
近来, 人们不断提出了几种更先进结构的
特种光纤。英国 Southampton 大学的光电子研究
中心提 出了一 种螺旋 状纤 芯结构 的双包 层光
[ 6] 数, 并且螺旋状结构的纤 芯能有效的抑制大尺 图 3 常见的几种内包层结构示意图 寸纤芯中高阶模的产生。多纤芯结构双包层光纤相对于单芯双包层光纤在保证单模输出的情况下提高了输
[ 7] [ 8]
凭借其独特的结构, 具有很 多优点, 如: 可以设计成具有大的数值孔径( 最高达 0. 9) , 对激光器的泵浦非常有利; 模场面积根据需要设计 的自由度相当大, 并保持单模, 用大模场面积 PCF 可以研制高功率激光器, 而小模场面积 PCF 可以获得低阈 值激光器; 独特的色散特性
零色散点可推移至可见光波段, 使它具有制造可见波段全光纤孤子激光器的 潜力; 具有非常高的非线性, 可以进行拉曼激光器与放大器的研制。 1. 2 泵浦耦合技术
简单来说, 泵浦耦合技术就是如何高效率的将泵浦光耦合到双包层掺杂光纤的内包层中去。为此, 人们
案 统 ; ( 2) 采用在光纤端面制作成微透镜的耦合系统
74 山 东 科 学
2008 年
提出了很多泵浦光和双包层光纤之间的耦合方法, 常见的有采用准直聚焦透镜组整形的端面泵浦耦合, 采用 V 形槽、内嵌反射镜、光纤侧面熔接等方案的侧面泵浦耦合, 但分立的端面泵浦和侧面泵浦耦合方案在稳定 性和操作性上均有很大的缺陷。从大功率光纤激光器的发展趋势来看, 要求泵浦耦合器件在将泵浦光耦合 到内包层的同时, 尽量不影响和损害双包层光纤的纤芯, 因为只有这样才能在不影响激光的产生和传输的情 况下实现级联泵浦和超大功率的输出。
目前国际上采用较多的实用化方案是将多个 LD
通过尾纤合并到单根匹配光纤输出, 来获得高功率的
泵浦光, 再通过与掺 杂光纤熔 接对其进 行泵浦。ITF
公司率先研制出一种高耦合效率的, 适合大功率下工
作的光纤合束器 [ 9] , 其结构见图 4。由于 7 根和 19 根
光纤在合并熔融拉锥后的截面更接近于圆形, 因此光
纤合束器大多是采用 7 1 或 19 1 的结构。由于光 图 4 光纤合束器结构示意图 纤合束器是由光纤介质制作, 很容易和其它光纤器件无缝连接, 因此这种泵浦方法可制成体积小、重量轻、结 构坚固、稳定性能好的大功率全光纤激光器。
1. 3 FBG 刻写技术
FBG 是一种刻写在光纤纤芯中的 Bragg 光栅, 它能够把前向传输的纤芯模式能量耦合给后向传输的纤 芯模式, 形成在谐振波长附近一定带宽的能量反射。FBG 可达到较高的反射率( 100% ) 和较窄的反射带宽 ( 0. 1 nm) , 作为光纤激光器的谐振腔腔镜, 可使激光器具有更紧凑的结构和更高的稳定性。由于 FBG 本身 就是由光纤制作而成, 因此在光纤激光器的全光纤化设计中具有明显的优势, 是作为大功率双包层光纤激光 器腔镜的最佳选择。
1989 年, Gerry Melted 首次提出采用两束波长位于掺 Ge 石英光纤吸收带内的紫外激光相干涉, 从光纤侧 面写入了一种永久的折射率呈周期性分布的 FBG 0]。经过几十年的不断发展, 目前光纤光栅的制作方法多 种多样。采用适当的光纤增敏技术、不同的成栅方法并结合使用合适光源, 几乎可以在各种类型的光纤上刻 写出光栅。制作应用于 全光纤化 高功率光 纤激光器 的 FBG, 紫外曝 光相位掩 模法是相 对可行的 技术方 。关键问题在于光敏双包层光纤的获得, 载氢方法虽然可行, 但要实现光纤光栅的高稳定性, 许多工艺 还需要进一步摸索。近年来研究的一个新领域是用飞秒脉冲激光器作为成栅光源 , 利用该光源并结合全 息干涉法、相位掩模法及点点写入法可以制作高质量的光纤光栅, 且光栅温度耐受性好, 适合用作高功率光 纤激光器的腔镜。飞秒激光写入光栅法与紫外曝光法相比有许多优点, 因此在光纤激光器的腔镜应用上有 很大的发展潜力。
1. 4 LD 光纤耦合技术
大功率光纤激光器一般采用光纤耦合输出的 LD 作为泵浦源。LD 的输出光束在垂直于结平面( 快轴) 方 向和平行于结平面( 慢轴) 方向是非对称的, 光参数积相差几百甚至上千倍, 光束质量很不均衡, 这样的光束 不可能通过传统的成像光学系统聚焦成对称的小光斑耦合到光纤中, 必须先采用特殊的光学器件对光束进 行整形, 实现两个方向光束质量的均衡。
LD 与光纤耦合的方案 概括起来 可分为两 大类: ( 1) 采 用分立的 小型或微 型光学元 件构成的 耦合系 [ 13] 4]。LD 的电光效率仅能达到 40% 左右, 大部分的能量 都转化成热能, 而温度对 LD 中心波长等性能的影响是很大的, 因此制冷对其非常重要。对于大功率光纤激 光器来说, 由于光纤具有良好的散热特性, 激光器的制冷主要是针对泵浦源考虑。而随着泵浦合束器技术的 发展和 LD 功率的不断提高, 已经不再采用需要水冷却的 Bar 条或堆栈结构的大功率 LD 作泵浦, 小功率的 LD 通过 N 1 光纤合束器合束就可以提供很高的泵浦能量。
脉冲 具有光斑小、亮度高、接近衍射极限的光束质量。( 2) 光纤的损伤阈值高( 一般为 1. 5 W m
2 第 6 期 脉冲型光纤激光器
宋志强: 大功率光 纤激光器技术及其应用 75 目前, 大功率光纤激光器已实现窄线宽、单偏振、波长可调谐和脉冲运转等方式, 而实现脉冲运转主要通
过主振荡功率放大器( MOPA) 、调 Q 和锁模等方案。具有高能量( mJ) 、高峰值功率( kW) 、高重复频率( kHZ) 、 高亮度( 近衍射极限) 的光纤激光器已得到广泛应用。
通过双包层光纤获得高光束质量高能量脉冲普遍采用的方法是主振荡器提供种子脉冲, 然后注入到双
包层光纤 MOPA 模块中来获得, 主振荡光脉冲放大的关键是选择合适的主振荡器( MO) 和吸收效率高的增益 介质。一种更为简单的方法是采用调 Q 技术即直接在双包层光纤激光腔内插入调 Q 器件, 来获得高峰值功 率高能量的激光脉冲。光纤型 Q 开关有光纤 Mach Zehnder 干涉仪、光纤 Michelson 干涉仪和利用光纤的受激 布里渊散射( SBS) 被动调 Q 等。根据锁模方式不同, 锁模光纤激光器可分为主动锁模和被动锁模。由于主 动锁模调制能力有限, 限制了锁模脉冲的宽度, 脉冲宽度通常为飞秒量级。被动锁模或自锁模光纤激光器是 利用光纤或其他元件中的非线性光学效应实现锁模的, 激光器结构简单, 在一定条件下不需要插入任何调制 元件就可以实现自启动锁模工作。通常自启动被动锁模光纤激光器可以输出 fs 量级的超短脉冲。
超短脉冲激光技术在激光制导、激光卫星定位、激光受控热核反应、强场物理等很多领域都有着重要应 用。可输出超短脉冲的 光纤激光器主要有锁模环形光纤激光 器、光纤光栅激光 器和超连续脉冲 发生器。 2002 年, L. Lefort 和 A. Albert 等人提出一种低噪声展宽脉冲掺镱光纤激光器 , 采用光纤和光栅分别提供正 负色散, 在腔内交替的对光脉冲进行展宽和压缩, 该方案在 1056 nm 处获得了平均功率 3 mW, 脉宽为 108 fs 的脉冲。1996 年, Fermann 等人采用腔内插入 2 个用于控制脉冲宽度的啁啾光纤光栅被动锁模激光器, 获得 了最大平均功率为 170 mW, 脉宽为 4ps 的超短脉冲。近年, 光子晶体光纤( photonic crystal fiber, PCF) 凭借其 特殊的色散特性和非线性结构, 吸引了人们极大的研究兴趣。与传统光纤相比, PCF 能够在波长低于 1. 3 m 时获得反常色散, 同时保持单模, 这种奇异的色散特性为短波长光孤子传输提供了可能, 也为超短脉冲激光 器提供了一种新型的光纤材料。2005 年, 德国 Friedrich Schiller 大学的研究人员采用大模面积( LMA) 光纤技 术与非线性脉冲压缩结合的方法, 在 LMA PCF 中产生了中心波长为 1038 nm 、重复频率为 73 MHz 的 50 fs 光 6]。
3 3. 1 大功率光纤激光器的优势及应用
优势
与同等功率水平的传统固体激光器或气体激光器相比, 光纤激光器无论在光束质量、工作效率、结构体 积和系统维护等方面, 均占有明显的优势, 具体表现在: ( 1) 由于双包层光纤独特的波导结构, 使得输出激光 2 [ 17] ) , 易于达到高 功率, 转换效率高, 通过选择不同的稀土掺杂光纤或不同反射特性的光纤光栅, 可以得到很宽工作波长范围 的光纤激光器。( 3) 由于表面积与活性介质体积比高, 其散热性能好, 不需要特殊制冷。百瓦量级的光纤激
光器采用简单的风冷即可。( 4) 结构简单、体积小、重量轻、性能稳定、可靠性好, 对灰尘、震荡、冲击、湿度等 具有很高的容忍度, 使用灵活方便。( 5) 造价不断降低。
3. 2 应用举例
大功率光纤激光器凭借其一系列优点, 以及可达几十千瓦的输出功率, 使其应用范围逐渐从光通信领域 扩展到工业加工、材料处理、生物医学、国防军工等越来越广泛的领域中。
在通讯领域, 应用 最多而且 对光纤激 光器推 动最大的 就是全光 通讯网络。掺铒光 纤激光器 提供的
1. 30 m 和 1. 55 m 波段的激光, 处于光通讯的两个低损耗窗口上。双包层掺镱光纤激光器的出现, 解决了 拉曼光纤放大器的泵浦源问题 , 这种拉曼光纤放大器可以工作在光通信窗口的任意波长处, 并对光信号 进行在线放大, 是长距离、超长距离通信实现信号放大的理想选择。大功率光纤激光器另一个发展方向是将
出能量高度集中, 光功率密度可达到 MW cm 量级, 足以摧毁任何坚固的目标。它以 3 10 m s 的速度在空 的柔韧性和光纤激光器光束质量好, 可以使光纤进入人体内排除肿瘤和各种淤积物
76 山 东 科 学
2008 年
其应用到光孤子通讯和空间通讯领域, 实现远距离、无差错通信。
在工业加工方面, 激光加工技术是利用激光与物质相互作用的特性对材料进行切割、焊接、表面处理、打 孔及微加工等的一门加工技术, 它是大功率光纤激光器市场前景最广阔的应用领域。与机械加工相比, 激光 加工具有加工对象广、非接触加工、公害小、速度快、可自动控制等优点, 被誉为 未来制造系统的共同加工手 段 9]。
与传统高功率激光器相比, 工作波长在 1060~ 1200 nm 范围内的掺镱大功率光纤激光器, 具有转换效率 高、光束质量好、维护周期长、运行费用低等优点, 其极高的效率和功率在材料加工方面可与传统的 YAG 激 光器相媲美。在激光打标领域, 由于光纤激光器具有高的光束质量和定位精度, 集成电路制造商开始用光纤 激光打标系统取代效率不高的 CO 2 激光和闪光灯泵浦的 Nd YAG 脉冲激光打标系统, 在半导体芯片和包装 上制作小铭牌, 它也常用于在塑料和金属上打标; 在焊接领域, 激光软焊和烧结所需的功率为 50~ 500 W, 金 属焊接和硬焊为 5~ 20 kW, 大功率光纤激光器完全能够满足要求。2008 年, 德国宝马汽车公司从 IPG 公司 订购了 16 台千瓦级连续光纤激光器用于车门焊接生产线。
在国防军工方面, 功率高、光束质量好的激光武器一直是军事领域研究的重点, 高功率光纤激光器以其 亮度高、照射面积小、体积小、使用灵活方便等优点越来越受到重视。作为攻击武器, 高功率光纤激光器的输
2 8
气中传播, 瞄准目标时不需计算提前量, 且射击时没有后坐力, 可随机变换射击方向, 精确打击目标的要害部 位。而作为防御武器, 美国军方使用 IPG 公司生产的 2 000 W 多模光纤激光器, 在阿富汗恶劣环境下成功执 行了扫雷任务。
在医疗方面, 光纤激光器用作止血和手术刀已出现在许多内外科手术中, 并逐渐被广大医学工作者认 同。高功率光纤激光器的引进, 使组织脱落和光致凝结手术的时间大大缩短。在眼科手术中, 连续掺铥光纤 激光器能使角膜成形手术成功率更高, 同时还可以治疗远视、近视等眼科疾病。在心血管手术中, 利用光纤 0]。在整形美容手术 中, 2 m 波长光纤激光器在治疗皮肤癌和去纹身方面已取得了良好效果。另外, 功率超过几瓦的掺铥光纤 激光器则在显微外科手术中扮演了十分重要的角色, 它能为外科手术提供较大的高能辐射, 同时在红外保健 方面也有着应用空间。
在石油矿产领域, 高功率光纤激光器能够通过光纤向井下提供所需要的能量, 在建井和完井作业中出色 的发挥作用。与常规工业激光器相比, 它的工作效率更高, 光束质量更好, 机动性更强, 在使用寿命期间基本 上不用维修。将其代替常规的射孔弹, 能够降低或消除射孔损害并显著提高产量和总体经济回报。2003 年 开始, 美国天然气技术研究所( GTI) 应用 5. 34 kW 高功率激光器进行了井下射孔应用研究。试验表明, 对光 束质量进行更好的控制, 则激光器能够破碎任何岩石, 而高功率光纤激光器将在此领域体现出其应用优势。
4
总结与展望
激光的应用是人类使用工具的第三次飞跃, 而光纤激光技术的成熟使得大功率光纤激光器从实验室真 正进入大规模工业应用。在能源日益短缺的时代, 大功率光纤激光器正在大幅度减少能耗, 节约资源等方面 做出越来越多的贡献。
预计到 2010 年, 光纤激光器将至少占领工业激光器 28 亿美元市场份额的四分之一。光纤激光器的销
售量将以年增幅超 35% 的速度攀升, 从 2005 年的 1. 4 亿美元增至 2010 年的 6. 8 亿美元。而同期, 工业激光 器市场每年增幅仅 9% , 2010 年达到 28 亿美元。 十一五 期间, 中国光纤激光器市场年需求将在 5000 台以 上, 假如能突破关键技术, 国产产品售价可控制在进口产品的 60% 以下, 直接降低成本 4 亿元。因此, 全力 发展我国的光纤激光产业将具有重要的经济价值和战略意义。
第6 期宋志强: 大功率光纤激光器技术及其应用77 参考文献:
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光纤激光器的特点与应用 光纤激光器是在EDFA技术基础上发展起来的技术。近年来，随着光纤通信系统的极大的应用和发展，超快速光电子学、非线性光学、光传感等各种领域应用的研究已得到日益重视。光纤激光器在降低阂值、振荡波长范围、波长可调谐性能等方面，已明显取得进步。它是目前光通信领域的新兴技术，它可以用于现有的通信系统，使之支持更高的传输速度，是未来高码率密集波分复用系统和未来相干光通信的基础。 1.光纤激光器工作原理 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1所示。 掺稀土元素的光纤放大器推动了光纤激光器的发展，因为光纤放大器可以通过适当的反馈机理形成光纤激光器。当泵浦光通过光纤中的稀土离子时，就会被稀土离子所吸收，这时吸收光子能量的稀土原子电子就会激励到较高激射能级，从而实现离子数反转。反转后的离子数就会以辐射形式从高能级转移到基态，并且释放出能量，完成受激辐射。从激发态到基态的辐射方式有两种，即自发辐射和受激辐射，其中受激辐射是一种同频率、同相位的辐射，可以形成相干性很好的激光。激光发射是受激辐射远远超过自发辐射的物理过程，为了使这种过程持续发生，必须形成离子数反转，因此要求参与过程的能级应超过两个，同时还要有泵浦源提供能量。光纤激光器实际上也可以称为是一个波长转化器，通过它可以将泵浦波长光转化为所需的激射波长光。例如掺饵光纤激光器将980nm的泵浦光进行泵浦，输出1550nm的激光。激光的输出可以是连续的，也可以是脉冲形式的。 光纤激光器有两种激射状态，三能级和四能级激射。三能级和四能级的激光原理如图2所示，泵浦(短波长高能光子)使电子从基态跃迁到高能态E4或者E3，然后通过非辐射方式跃迁过程跃迁到激光上能级E43或者E3 2，当电子进一步从激光上能级跃迁到下能级E扩或者E3，时，就会出现激光的过程。
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. 一．光纤激光器的简述
光纤激光器和放大器的研究与应用引起了广泛的重视和兴趣，已能制备以硅和氟化铅为基质的掺杂稀土金属元素的光纤。用这些光纤制作成光源或光放大器在降低光通信系统的成本方面具有巨大的潜力。接铰和饵离子的光纤激光器已有多种波长的输出，包括900nm，1060nm和1550nm等。用输出波长为800nm的I‘D作为泵浦源也可以获得光通信重要窗口波长(1550nm)的输出。 激光输出诺可以通过改变稀土离子所处的玻璃基质进行改变。由掺杂稀土元素离子的氟化错光纤可以在红外区产生波长为1050nm，1350nm，l 380nm和l 550nm的激光输出，其中1350nm波长非常有价值，因为利用以硅为基质的光纤要想得到这个波长的输出非常困难。此外，这种光纤能在2．08ftm，2．3f4m和2．7Pm的中红外波长区产生激光输出也具有十分重要的价值。这种光源可能在通信，医学，大气通信和光谱学方面得到应用。 光纤激光器的输出方式可以是连续的，也可以是脉冲的。光纤激光器的调Q 和锁模以及亚纳秒脉冲业已获得。光纤激光器可以在其整个荧光谱范围内进行调节输出。最重要的是可以获得窄带宽，单纵模的输出。因此也可用于相干通信以及其他单色性要求较高的应用场合。光纤放大器的优越性能以及用LD作为泵浦源实现了放大，使其在光通信系统中的应用越来越广泛。 在过去的几年中，光纤激光器和放大器得到了飞速的发展，世界上许多实验室都卷入了这方面的研究工作。这些研究工作涉及下述所提到的所有方面。以后将会利用可见和红外波长区的稀土元素跃迁，发现更多的谱线以满足各种不同的需要。光纤中的光学过程的理论和基础研究也将进一步发展以优化其性能。 实验研究还需要进一步器件化以及满足实际需要。对新型光纤和谐振腔的研究还将继续。高功率的窄脉冲以及偏振控制，可调谐线宽输出都是应用所需要的。与光纤兼容的调制器和隔离器也是目前所急需的。光纤激光器的研究无疑将刺激光纤器件的发展。光纤放大器在局域的和广域的光通信系统中应用前景广阔，这些都需要进一步的研究。
fp激光器应用场景 光纤激光器，或称FP激光器，由于其高效率、高稳定性、长寿命和光束质量高等优点，在许多领域都有广泛的应用。以下是FP激光器在不同领域的主要应用场景。 一、通信领域 光纤激光器在通信领域的应用主要基于其光束质量好、调制速度高、传输距离远等特性。在光纤通信网络中，FP激光器作为光源，用于生成光信号，通过光纤进行高速、大容量的数据传输。此外，光纤激光器还在光通信系统的光放大、光复用、光解复用等方面发挥关键作用。 二、科学研究 在科学研究中，光纤激光器作为一种强大的工具，可用于各种高精度、高效率的实验。例如，在物理、化学、生物学等领域，光纤激光器被用于产生超短脉冲、超强光场、单光子等特殊光束，用于研究物质的基本性质和行为。此外，光纤激光器还在光谱分析、光学成像等领域有广泛应用。 三、工业制造 在工业制造中，光纤激光器主要用于激光切割、激光焊接、激光打标等工艺。由于其高能量密度和良好的光束质量，光纤激光器能够实现高效、高质量的加工，同时减少材料热损伤和加工后的变形。在汽车、电子、航空航天等行业中，光纤激光器的应用极大地提高了生产效率和产品质量。 四、医疗保健 光纤激光器在医疗保健领域的应用主要涉及激光治疗、生物组织标记与成像等方面。通过特定波长的激光照射，光纤激光器可用于治疗各种皮肤疾病、眼科疾病等。同时，利用激光的独特性质，
还可以进行生物组织的标记与成像，用于诊断疾病和研究生物组织结构。 五、军事应用 在军事领域，光纤激光器可用于激光雷达、激光制导、激光通信等方面。通过发射特定波长的激光，光纤激光器可用于目标探测与识别、武器制导和通信加密等任务。此外，光纤激光器还可用于制造高能激光武器，提高军事防御和攻击能力。 六、环境监测 光纤激光器在环境监测中主要用于气体分析和光谱分析。通过测量气体分子对特定波长激光的吸收光谱，可实现对大气中污染气体浓度的高精度测量。同时，光纤激光器还可用于水体质量监测、土壤成分分析等领域，为环境保护和治理提供重要技术支持。 七、计量与校准 光纤激光器在计量和校准领域的应用主要基于其高稳定性和可调谐性。通过比较不同波长下的干涉条纹或光谱特征，可实现高精度的长度和角度测量。同时，利用光纤激光器的可调谐特性，还可进行光学元件的波长校准和光谱仪的定标等任务。 八、显示技术 在显示技术中，光纤激光器作为新型光源，具有色彩纯度高、亮度高等优点。通过控制光纤激光器的输出波长和功率，可实现高分辨率、高对比度的显示效果。在数字投影仪、全息显示等领域，光纤激光器的应用为显示技术的发展提供了新的可能性。 九、传感器技术 光纤激光器在传感器技术中的应用主要涉及光学传感和分布式传感。通过将光纤激光器的输出光与待测参数相互作用，可实现温
高功率连续光纤激光器用途 高功率连续光纤激光器是一种能够输出高功率连续激光束的光学设备。它利用了光纤的优异特性，如高效率、高光束质量和长寿命等，成为各种应用领域中不可或缺的重要工具。以下是高功率连续光纤激光器的一些主要用途。 1. 材料加工：高功率连续光纤激光器在材料加工方面具有广泛的应用。例如，在金属切割和焊接领域，激光器的高功率和高能量密度使其能够轻松地处理各种金属材料，如钢、铝和铜等。此外，激光器还可以用于刻蚀、打标和钻孔等细微的材料修饰任务。 2. 激光医疗：高功率连续光纤激光器在激光医疗领域中也有广泛的应用。激光器的高功率和可调谐的波长使其成为眼科手术、皮肤修复和毛发去除等多种医疗程序的理想选择。此外，激光器还可以用于癌症治疗、疤痕修复和血管疾病等其他医疗应用。 3. 科学研究：高功率连续光纤激光器也是科学研究中不可或缺的工具之一。例如，在物理学和化学领域，激光器可以用来进行光谱分析、光散射和拉曼光谱等实验研究。此外，激光器还可以用于光学显微镜、干涉测量和光学相干断层扫描等高分辨率成像技术。 4. 通信：高功率连续光纤激光器在通信领域中也有重要的应用。激光器的高功率输出和大带宽使其成为高速光纤通信系统的关键部件。激光器可以用于光纤放
大器、光纤光栅和光纤耦合器等设备，用于增强、调制和传输光信号。 5. 军事应用：高功率连续光纤激光器在军事应用领域中有着广泛的需求。例如，激光器可以用于目标照明、精确定位和激光导引等任务。此外，激光器还可以用于激光雷达、光电子战和远程探测等系统。 6. 光通信：高功率连续光纤激光器在光通信领域也有着重要的作用。激光器的高功率输出和高光束质量使其成为光纤通信系统中的关键光源。激光器可以用于长距离、高速的光纤通信系统，提供稳定、高效的光信号传输。 7. 光学测量：高功率连续光纤激光器在光学测量方面也有广泛的应用。例如，在激光雷达和光学测距仪中，激光器的高功率和短脉冲宽度使其成为精确测量目标距离和速度的理想选择。此外，激光器还可以用于光学测量设备、光学干涉仪和光学拉曼光谱仪等精密测量任务。 总之，高功率连续光纤激光器具有广泛的应用领域，包括材料加工、激光医疗、科学研究、通信、军事、光通信和光学测量等。这些应用体现了激光器在不同领域中的重要作用，并且随着技术的不断进步，高功率连续光纤激光器的应用前景更加广阔。
光纤激光器的介绍 周菊平2009142105 摘要：作为固体激光器的一员，光纤激光器以其结构简单紧凑、体积小，工作稳定可靠，易于集成等特点，一直被认为是固体激光器技术实用化的最佳选择。高功率光纤激光除在科研、工业加工和医疗保健等领域有着广泛的应用外，在军事国防领域也有着巨大的应用价值。海湾战争等高技术战争的实践表明，光电武器装备对战术武器性能起决定性作用。近十年来，高功率光纤技术已成为激光技术领域的热点研究技术之一。本文介绍了光纤激光器的背景及最新成果，双包层光纤激光器的原理与特点。 关键词：双包层光纤光纤激光器掺杂光纤 早在1961年，美国光学公司（American Optical Corporation）的Snitzer等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，Townsend等发明了溶液掺杂技术（Solution doping technique）。此后，Poole等用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。1）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。 光纤激光是当前的热门话题。ROFIN与TRUMPF分别收购NUFERN与SPI公司发展光纤激光已三年，今春上海慕尼黑激光展上，ROFIN展出了2KW光纤激光器，但全球高功率光纤激光器市场依然是IPG一统天下。继上年SALV AGNINI与LASER PHOTONICS等公司展出用其的光纤激光器之切割机后，2010年11月在亚特兰大的FABTECH 与汉诺威的EUROBLECH 展会上又推出愈来愈多的光纤激光切割机。欣喜的是一批海归博士矢志回国创业，创建了武汉锐科光纤激光、西安炬光等公司，研发生产高功率光纤激光器与二极管激光泵源，相信有自主知识产权的4KW连续波光纤激光器不久将会呈现在国人面前。2）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，其结构如图1所示。
激光器技术的应用现状和发展趋势 一、应用现状 激光器技术自20世纪60年代发明以来，已经广泛应用于各个领域，对人类社会产生了深远的影响。以下是激光器技术在当前的主要应用领域： 1. 工业制造：激光器技术在工业制造领域的应用广泛，包括切割、焊接、打标、表面处理等。激光器的高精度、高速度和高能量特性使得它在制造业中具有不可替代的地位。 2. 通信与信息传输：激光器技术是现代通信的基础，如光纤通信。激光器的单色性好、相干性强，使得信息传输的带宽大、速度快、损耗低，是现代通信技术的核心组成部分。 3. 医疗卫生：激光器技术在医学领域的应用包括眼科、皮肤科、牙科等。激光器的非接触、非侵入性使得其在治疗和诊断中具有许多优点。 4. 科学研究：激光器技术是许多科学研究的必备工具，如光谱分析、物理实验、生物研究等。激光器的可调谐性和高能量特性使得它在科学研究中具有重要作用。 5. 军事与安全：激光器技术在军事和安全领域的应用包括激光雷达、目标指示、光电对抗等。激光器的定向性好、能量集中，使得它在军事和安全领域具有重要应用价值。 二、发展趋势 随着科技的进步和应用需求的不断增长，激光器技术的发展趋势如下： 1. 高功率激光器：高功率激光器在工业制造、科学研究等领域有广泛应用。随着技术的进步，高功率激光器的输出功率不断提高，性能更加稳定可靠。 2. 新型激光器：随着光电子技术和材料科学的不断发展，新型激光器不断涌现，如量子点激光器、光纤激光器、表面等离子体共振激光器等。这些新型激光器具有独特的性能和应用前景。 3. 微型化与集成化：随着微纳加工技术的发展，微型化和集成化的激光器成为研究热点。微型化与集成化的激光器具有体积小、重量轻、易于集成等优点，在光通信、光传感等领域有广泛应用。 4. 智能化与自动化：随着人工智能和自动化技术的不断发展，智能化和自
激光器的种类及应用 激光器是一种产生高强度、高聚束、单色、相干光的装置。它们被广 泛应用于各个领域，包括医学、通信、材料加工、军事、测量和科学研究等。下面将介绍几种常见激光器的种类及其应用。 1.气体激光器：气体激光器是最早被发展出来的激光器之一、最常见 的气体激光器包括二氧化碳激光器和氩离子激光器。二氧化碳激光器主要 用于材料切割、焊接和打孔等工业应用，还被广泛应用于医学手术和皮肤 美容治疗。氩离子激光器在医学和科学研究中也有广泛应用，例如眼科手术、实验物理和化学研究。 2.固体激光器：固体激光器是一种使用固体材料作为激活介质的激光器。最常见的固体激光器包括Nd:YAG激光器和铷钾硼酸盐（Nd:YVO4）激 光器。固体激光器有较高的光束质量和较长的寿命，被广泛应用于材料加工、医学、科学研究和军事领域。它们可以用于切割、钻孔、焊接、标记 和激光测距等应用。 3.半导体激光器：半导体激光器是使用半导体材料作为激发源的激光器。它们具有体积小、功耗低和价格低廉的特点，因此在通信、激光打印、光存储和生物医学等领域得到了广泛应用。激光二极管是最常见的半导体 激光器之一，它们被广泛用于激光打印机、激光扫描仪和激光指示器等设 备中。 4.光纤激光器：光纤激光器是利用光纤作为光传输介质的激光器。它 们具有高效率、高功率输出和相对较小的尺寸。光纤激光器被广泛应用于 通信、材料加工和医学等领域。例如，光纤激光器可以用于光纤通信系统
中的信号放大和发送，也可以用于材料切割、焊接和打标等高精度加工过程。 5.半导体激光二极管：半导体激光二极管是一种小型、低功耗的激光器。它们主要用于光通信、激光打印、激光显示和传感器等领域。激光二极管被广泛用于光纤通信系统中的光放大器和激光器，也被应用于激光打印机、光盘读写器和激光雷达等设备。 总而言之，激光器的种类繁多，每种类型都有其特定的应用领域。激光技术的不断进步和创新将会带来更多新的应用和发展机会。
光纤激光器与光纤激光器技术 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。 光纤激光器应用范围非常广泛，包括激光光纤通讯、激光空间远距通讯、工业造船、汽车制造、激光雕刻激光打标激光切割、印刷制辊、金属非金属钻孔/切割/焊接（铜焊、淬水、包层以及深度焊接）、军事国防安全、医疗器械仪器设备、大型基础建设等等。 光纤激光器的优势 光纤激光器作为第三代激光技术的代表，具有以下优势： （1）玻璃光纤制造成本低、技术成熟及其光纤的可饶性所带来的小型化、集约化优势； （2）玻璃光纤对入射泵浦光不需要像晶体那样的严格的相位匹配，这是由于玻璃基质Stark 分裂引起的非均匀展宽造成吸收带较宽的缘故； （3）玻璃材料具有极低的体积面积比，散热快、损耗低，所以上转换效率较高，激光阈值低； （4）输出激光波长多：这是因为稀土离子能级非常丰富及其稀土离子种类之多； （5）可调谐性：由于稀土离子能级宽和玻璃光纤的荧光谱较宽。 （6）由于光纤激光器的諧振腔内无光学鏡片，具有免调节、免维护、高稳定性的优点，这是传统激光器无法比拟的。 （7）光纤导出，使得激光器能轻易胜任各种多维任意空间加工应用，使机械系统的设计变得非常简单。（8）胜任恶劣的工作环境，对灰尘、震荡、冲击、湿度、温度具有很高的容忍度。 （9）不需热电制冷和水冷，只需简单的风冷。 （10）高的电光效率：综合电光效率高达20%以上，大幅度节约工作时的耗电，节约运行成本。 （11）高功率,目前商用化的光纤激光器是六千瓦。 高功率的光纤激光器及其包层泵浦技术 双包层光纤的出现无疑是光纤领域的一大突破，它使得高功率的光纤激光器和高功率的光放大器的制作成为现实。自1988年E Snitzer首次描述包层泵浦光纤激光器以来，包层泵浦技术已被广泛地应用到光纤激光器和光纤放大器等领域，成为制作高功率光纤激光器首选途径。 包层泵浦技术，由四个层次组成:①光纤芯;②内包层;③外包层;④保护层。如图（1）所示，将泵光耦合到内包层（内包层一般采用异形结构，有椭圆形、方形、梅花形、D形及其六边形等等）,光在内包层和外包层（一般设计为圆形）之间来回反射,多次穿过单模纤芯被其吸收。这种结构的光纤不要求泵光是单模激光,而且可对光纤的全长度泵浦,因此可选用大功率的多模激光二极管阵列作泵源,将约70%以上的泵浦能量间接地耦合到纤芯内,大大提高了泵浦效率。 包层泵浦技术特性决定了该类激光器有以下几方面的突出性能。 1、高功率 一个多模泵浦二极管模块组可辐射出100瓦的光功率，多个多模泵浦二极管并行设置，即可允许设计出很高功率输出的光纤激光器。 2、无需热电冷却器 这种大功率的宽面多模二极管可在很高的温度下工作，只须简单的风冷，成本低。
高功率光纤激光器关键技术及进展 引言 高功率光纤激光器对我国各行业都有极大的促进作用，激光器的制作也被越来越多人关注。高功率光纤激光器关键技术包括光纤制作技术和激光合成技术。随着时代的发展，这两个技术不断变化发展，最终变化为我们目前常用的以下几项技术。 1.高功率光纤激光器的关键技术 1.1增益光纤制作技术 1.1.1稀土掺杂双层石英光纤 石英是光纤的主要组成成分，具有硬度大、输出功能强的特点，在制作高功率光纤激光器过程中掺杂稀土元素，可以增强高功率光纤激光器的韧性和质量，有利于延长激光器的使用寿命。为了将稀土的特殊属性更好的发挥出来，一般采用双包层技术制作光纤激光器。双包层是指光纤由纤芯、内包层和外包层和保护层构成。光纤具有极强的反射能力，激光经过内包层的全反射，可以将能量完美的传递，对于强度过大来不及反射的激光，又可以通过外包层传输，实现二次传输的目的，减少了光纤传输过程中的能量损耗。光纤激光器的传输能力与纤芯直径的大小有很大的关系，纤芯直径越大，运输的激光的利用率就越大，反之则越小。随着科学技术的不断发展，光纤纤芯直径发生了很大变化，光纤的形态也从单一的圆柱形发展到了多边形，相关人员对光纤
纤芯规格参数也做了一定研究，根据光纤的实际应用，光纤纤芯的制作规格有所不同。制作高功率光纤激光器的纤芯直径不能过大，也不能过小，纤芯直径过大会降低光纤输出激光的光束质量，影响激光器的功能，而纤芯直径过小，无法满足激光器高功率的需求，因此光纤的制作是高功率光纤激光器的重要过程。 1.1.2稀土掺杂光子晶体光纤 光子晶体的概念于1987年提出，而光子晶体光纤的概念最早由Russell.ST.J等人于1992年提出，简称PCF。它是在石英光纤中沿轴向均匀排列空气孔，从光纤端面看，存在周期性的二维结构。与普通单模光纤不同，PCF是由其中周期性排列空气孔的单一石英材料构成，所以又被称为多孔光纤或微结构光纤。PCF 具有特殊的单模传输特性、弯曲特性、色散特性和非线性特性等，具有普通光纤不具备的优点，通过改变空气孔的大小和排列而使PCF特性改变的可调节性，预示着PCF将会有广泛的应用前景。在稀土掺杂双包层石英光纤的MCVD工艺中，只能通过纤芯直径和数值孔径的控制才能实现单模输出。这种方法存在两个问题，一是纤芯直径的增加受到工艺和其他参数的限制不能精确控制。而稀土掺杂双包层PCF的导波性质主要取决于光纤的结构而与 材料无关，可以将稀土掺杂双包层PCF的模场面积增大，以降低光纤内的功率密度和控制光纤产生非线性现象，目前这种具有大模场面积的稀土掺杂双包层PCF已在高功率光纤激光器研制中 受到重视，并将进一步提高光纤激光器的功率水平。
大功率光纤激光技术及应用 光纤激光技术是一种高效、高精度、高能量密度的激光技术，具有广泛的应用前景。其中，大功率光纤激光技术是近年来发展最为迅速的一种激光技术之一。本文将从以下几个方面介绍大功率光纤激光技术及其应用。 一、大功率光纤激光技术的原理 大功率光纤激光器是利用掺镱、掺铒等稀土元素掺杂在二氧化硅或氟化物玻璃等材料中制成的激光器。其工作原理是：利用泵浦源（通常为半导体激光器）将能量传输到掺镱或掺铒的玻璃纤维中，使其产生受激辐射，从而得到单色、相干性好、束斑质量高的输出激光。 二、大功率光纤激光器的优点 1. 高效能：大功率光纤激光器具有高转换效率和低热损失，能够将电能转换为更多的可见和近红外激光输出，从而提高了能量利用率。 2. 高品质：大功率光纤激光器的输出具有单色性好、相干性高、束斑质量好等特点，适用于需要高精度加工和检测的领域。
3. 高可靠性：大功率光纤激光器采用了无腔共振结构，没有反射镜和其他易损部件，因此具有较高的稳定性和可靠性。 三、大功率光纤激光器的应用 1. 工业制造 大功率光纤激光器在工业制造领域中得到广泛应用。例如，它可以用于金属切割、焊接、钻孔等加工过程中，由于其输出能量密度高、精度高等特点，在加工效果上比传统机械加工方式更优秀。同时，它还可以用于半导体材料的刻蚀和微细加工等领域。 2. 医疗美容 大功率光纤激光技术在医疗美容领域也有着广泛应用。例如，在皮肤修复方面，它可以被用来治疗皮肤色素沉着、痤疮、红血丝等问题，同时还可以用于皮肤紧致和去除皱纹等方面。 3. 科学研究 大功率光纤激光技术在科学研究领域也有着广泛的应用。例如，它可以被用来进行原子物理实验、量子计算和量子通信等领域的研究。
光纤激光器的原理及应用 光纤激光器的工作原理是通过受激辐射的过程产生激光。首先，通过 把电能、光能等能量输入石英玻璃纤维中，激发其中的电子从基态跃迁到 激发态，电子在激发态寿命极短，相互作用强烈，从而形成了大量的受激 辐射和激光产生，最后在光纤的末端通过光束输出。 1.制造业：光纤激光器在制造业中有广泛的应用，如切割、焊接和打标。由于激光光束的高能量密度和小发散性，激光切割和激光焊接在金属 加工中得到了广泛应用。光纤激光器的高功率和高能量密度可实现更精确 的切割和焊接，提高生产效率。 2.医疗领域：光纤激光器被广泛应用于医疗领域，例如激光手术、激 光美容和激光治疗等。光纤激光器的小尺寸和光纤的柔性使其能够在医疗 设备中灵活使用，激光的高能量密度可精确控制和切割组织，可以用于手 术刀替代、病变组织消融和切割等医疗操作。 3.通信领域：光纤激光器也广泛应用于通信领域，例如光纤通信和光 纤传感。光纤激光器的窄线宽和高功率输出能够提供更高的传输速率和传 输距离，同时它的稳定性也能够保证信息的可靠传输。光纤激光器在光纤 传感中的应用主要是通过改变激光器输出的光强度或频率来检测物理变量，如温度、压力和应力等。 4.科学研究：在科学研究中，光纤激光器也扮演着重要的角色。例如，在原子物理研究中，光纤激光器可用于冷却和操纵原子，使其接近绝对零度，从而研究量子行为。在激光光谱学中，光纤激光器的高能量密度和带 宽可用于光谱分析和材料表征等。
总之，光纤激光器凭借其小巧灵活、可靠性高、能量密度高、功率稳定等特点，在制造业、医疗、通信、科学研究等领域得到了广泛的应用。随着光纤技术的不断发展和完善，光纤激光器在未来将继续发挥重要的作用，为各个领域的创新和发展提供有力支持。
激光物理学中的超快激光与高能激光应用激光是一种高能量、高强度、高相干性的光源，激光与物质相互作用的现象十分丰富多样。在激光物理学的研究中，超快激光和高能激光是两个重要的研究方向。本文将从原理、技术、应用等方面来探讨超快激光和高能激光的研究进展和应用前景。 一、超快激光的原理和技术 超快激光又被称为飞秒激光，其脉冲的时间尺度为飞秒级别（1飞秒等于10^-15秒），能够制备出非常短的、高功率的光脉冲。超快激光的光谱范围非常宽，可覆盖紫外、可见、红外等多个波段。超快激光的研究分为两个方面，一是超快光学，主要研究超短脉冲的产生、传输和调制等基本光学问题。二是超快物理学，研究激光与物质相互作用的现象。 超快激光的产生需要借助薄片折射、谐振腔、非线性晶体等技术。其中效率最高的是光纤激光器，其原理是利用光纤的非线性效应和谐振腔的增益来实现飞秒脉冲的产生。飞秒激光的调制技术主要有自聚焦、自相位调制和光学谐振腔脉冲锁模等。超快激光在生命科学、材料科学、化学等领域的应用越来越广泛，比如超快光谱学、非线性光学、高阶谐波产生等。
二、超快激光的应用 1、超快激光在生命科学中的应用 生命科学中，超快激光的应用主要集中在生物成像和细胞操作上。超快激光显微成像技术已经成为生命科学研究中不可或缺的工具。它可以在非侵入性、不破坏的情况下，给出极高的时间和空间分辨率。此外，超快激光还可以用于细胞操作，比如激光束可以直接控制单个细胞的位置、姿态和移动方向等，利用这种方法可以研究细胞活动和信号传递机制。 2、超快激光在化学中的应用 在化学合成和化学分析方面，超快激光也展现出巨大的优势。利用超快光学技术，可以观测到化学反应的动力学过程。比如，超快光谱学可以用于研究化学分析中的分子结构和反应活化能等参数。另外，在合成化学中，超快激光脉冲可以用于瞬间控制分子运动，实现高效化学反应。 三、高能激光的原理和技术
光纤的应用领域和用途 光纤的应用领域和用途 引言： 光纤作为一种用于传输光信号的高效传输介质，具有高速、大带宽、低延迟等优势，因此在许多领域得到了广泛的应用。在本文中，我们将深入探讨光纤的应用领域和用途，并分享对其的观点和理解。 一、通信领域 1. 光纤通信 光纤通信是目前主流的通信技术，其高速传输、大容量和长距离传输的特点使其成为现代通信系统的基石。光纤通信广泛应用于电信、宽带互联网、移动通信等领域，实现了全球的信息交流与传输。 2. 光纤到户（FTTH） 光纤到户是指将光纤网络延伸到用户住宅或办公室，提供高速和稳定的宽带接入。光纤到户技术大幅提高了用户的上网速度和体验，支持高清视频、在线游戏和云计算等应用。 二、医疗和生物领域 1. 医学成像
光纤在医学成像领域有着广泛的应用，如内窥镜、光学相干断层扫描（OCT）和光声成像等技术。光纤的灵活性和小尺寸使其可以进入人 体内部，实现无创或微创的检查和治疗，为医生提供更准确、清晰的 影像信息。 2. 生物传感器 光纤传感器的应用也得到了生物医学领域的关注。通过将生物传感材 料与光纤结合，可以实现对生物体内特定生化指标的实时检测和监测，为疾病的早期诊断和治疗提供了有力的手段。 三、工业自动化和控制 1. 光纤传感技术 光纤传感技术在工业自动化和控制系统中发挥着关键作用。通过光纤 传感器可以实现对温度、压力、形变等参数的监测和测量，提高工业 生产过程的安全性和可靠性。 2. 光纤激光器 光纤激光器广泛应用于材料加工、激光切割、激光焊接等工业领域。 光纤激光器具有体积小、能耗低、光束质量高等优势，为工业生产提 供了高效、精确的激光能源。 四、能源领域 1. 光伏发电
高功率光纤激光器市场发展现状 引言 高功率光纤激光器是一种基于光纤技术的激光器，具有小尺寸、高效率、高光束质量等优点，在多个应用领域中得到广泛应用。本文将对高功率光纤激光器市场的发展现状进行综述，分析其发展趋势和应用前景。 市场规模和增长趋势 高功率光纤激光器市场在过去几年一直保持着较快的增长速度。据市场研究公司的数据显示，2019年全球高功率光纤激光器市场规模已超过10亿美元，预计在2025年将达到20亿美元。市场规模的不断增长主要受益于高功率光纤激光器在多个应用领域的广泛应用。 应用领域和需求 高功率光纤激光器在多个领域都有广泛的应用。其中，制造业是高功率光纤激光器的主要应用领域之一，其应用包括切割、焊接、打标等。另外，高功率光纤激光器在医疗、通信、科研等领域也具有广阔的市场需求。 在制造业领域，高功率光纤激光器的应用正在取代传统的切割和焊接工艺。高功率光纤激光器具有高能量密度、高光束质量等特点，能够实现高速、高精度的切割和焊接，提升了生产效率和产品质量。这使得制造业企业对高功率光纤激光器的需求不断增加。
在医疗领域，高功率光纤激光器被广泛应用于激光医疗器械。高功率光纤激光器能够精确控制激光输出参数，对组织、器官进行切割、焊接、消融等操作，被广泛用于手术、治疗和美容等领域。 在通信领域，高功率光纤激光器可用于光纤通信系统中的信号放大和光纤传感等应用。其高光束质量、高稳定性和可调谐性等特点，使得高功率光纤激光器在光通信领域具有广阔的应用前景。 技术进展和挑战 高功率光纤激光器市场的快速发展离不开技术的进步。随着光纤材料、光纤光柱技术、泵浦源和功率扩展技术的不断改进，高功率光纤激光器的光束质量、功率密度和转换效率都得到了大幅提升。 然而，高功率光纤激光器市场仍面临一些挑战。首先，高功率光纤激光器的价格相对较高，限制了其在一些领域的应用。其次，光纤的损伤和热效应问题也是制约高功率光纤激光器进一步发展的关键因素之一。此外，高功率光纤激光器的可靠性和稳定性也需要进一步提高，以满足各种复杂环境下的需求。 市场竞争和前景 目前，全球高功率光纤激光器市场竞争激烈。市场上主要的厂商包括IPG光纤激光器公司、TRUMPF、Jenoptik、高通量光纤激光器等。 未来，随着相关技术的进一步发展和应用需求的增加，高功率光纤激光器市场有望继续保持较快的增长。特别是在制造业、医疗和通信领域，高功率光纤激光器将继续发挥重要作用。
光纤激光器介绍-- 一．光纤激光器的原理简洁 光纤激光器是指以光纤为基质掺入某些激活离子作做成工作物质,或者是利用光纤本身的非线性效应制作成的一类激光器.Nd2o3的光纤激光器是于1963年首先研制成功。 与普通激光器一样,光纤激光器也由工作物质、谐振腔和泵浦源组成,如图所示。一般的光纤激光器大多是在光纤放大器的基础上发展起来的。它是利用掺杂稀土元素的光纤,再加上一个恰当的反馈机制便形成了光纤激光器。掺杂稀土元素的光纤就充当了光纤激光器的增益介质。在光纤激光器中有一根非常细的光纤纤芯,由于外泵浦光的作用,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能级的粒子数反转,从纤芯输出激光。依据掺杂离子(如Ｅｒ3+、Ｙｂ3+、Ｎｄ3+等)特性的不同,工作物质吸收不同波长泵浦光而激射出特定波长的激光。由于掺Ｙｂ光纤具有宽吸收谱、宽增益带和调谐范围宽等优点,目前高功率光纤激光器,大多采用掺Ｙｂ3+(或Ｅｒ,Ｙｂ共掺)光纤。 光纤是以SiO2为基质材料拉成的玻璃实体纤维，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。 二、几种光纤激光器 2.1 低功率光纤激光器 普通通讯用的光纤激光器输出功率一般都是毫瓦级，其典型结构如下图：
它与我们传统加工用的工业激光的显著区别有：用掺杂离子的光纤作为工作物质用光纤光栅代替光学镜片构成光学谐振腔LD泵浦源可以通过尾纤与掺杂光纤无缝耦合导光部分也直接采用光纤输出。 但是该种激光器的单模纤芯直径只有9um，而且只能采用端泵，无法承受太高的功率密度；另外，单模纤芯对LD的模式提出了严格的要求，只有单模光才可以耦合进纤芯进行有效泵浦，可惜大功率单模LD至今无法实现；最后，强泵浦光耦合在很细的纤芯里会出现严重的非线性效应，从而改变会改变光学性能和降低转换效率。由于该种激光器受到功率的影响，一直以来只局限于光通讯领域；同时由于巨大的行业差距，几乎无人曾敢把它与激光加工联想到一块。所以，大功率输出是光纤激光器发展的最大瓶颈，几乎所有的研究工作都在围绕这个问题展开。 尽管中国绝大部分人士是在2002年以后才意识到高功率光纤激光器，可是俄罗斯至少潜心苦研了20年后有了IPG公司，英国也至少研究了30年也有了SPI。他们在冷战时代都肩负着重要的国防使命，得到了国家的鼎立支持并一直是军事领域的绝密。 2.2、高功率光纤激光器 下图是来自俄罗斯技术的IPG公司的高功率光纤激光器的原理图，按激光器三大组成部分浅析如下：
高光束质量100kw光纤激光器核心技术及其产业化 高功率光纤激光器是一种重要的激光器技术，其核心技术为光纤激光增益介质和光纤功率扩展技术。高光束质量100kw光 纤激光器的产业化是激光器领域的重大突破，具有广阔的应用前景。 光纤激光增益介质是高功率光纤激光器的核心技术之一。光纤激光增益介质具有优异的光学性能和热学性能，能够实现高效率的能量转换。常见的光纤激光增益介质包括掺铒光纤、掺镱光纤和掺钕光纤等。掺铒光纤在1550nm波段具有较高的增益 系数和较宽的增益带宽，适合用于光纤激光器的工作波长。掺镱光纤在1064nm波长处具有高效的增益转换效果，适合用于 高功率光纤激光器。掺钕光纤在1030nm波长处具有优异的光 学性能，可以实现高效率的激光发射。 光纤功率扩展技术是高功率光纤激光器的另一个核心技术。光纤功率扩展技术能够有效地将光纤激光器的输出功率提升到100kW以上。常见的光纤功率扩展技术包括束芯放大技术和 高效能输入耦合技术。束芯放大技术通过在光纤束芯中注入大功率激光，使激光功率得到有效扩展。高效能输入耦合技术通过设计优化的光纤耦合结构，将激光能量有效地输入到光纤中，实现高效的功率扩展。 高光束质量100kW光纤激光器的产业化具有重要的意义。首先，高光束质量的光纤激光器可以实现高精度、高效率的加工。高光束质量意味着激光束的聚焦能力更强，能够实现更高精度的加工。其次，高光束质量的光纤激光器可以实现更快速的加
工速度。高光束质量意味着激光束的光斑质量更好，能够实现更高的加工速度。再次，高光束质量的光纤激光器可以实现更大范围的应用。高光束质量意味着激光束的能量分布更均匀，能够实现更大范围的应用需求。 为了实现高光束质量100kW光纤激光器的产业化，需要解决一系列技术难题。首先，需要解决光纤激光增益介质的制备技术。当前，掺铒光纤和掺镱光纤的制备技术已经相对成熟，但仍需要进一步提高其光学性能和热学性能。其次，需要解决光纤功率扩展技术的瓶颈问题。目前，束芯放大技术和高效能输入耦合技术已经取得了一些成果，但仍需要进一步提高其功率扩展效果和耦合效率。最后，需要建立健全的产业化链条。光纤激光器产业的发展还需完善相关的制造、测试和应用技术。 总的来说，高光束质量100kW光纤激光器的核心技术为光纤激光增益介质和光纤功率扩展技术。该技术的产业化具有广阔的应用前景，可以实现高精度、高效率的加工，并具有更快速的加工速度和更大范围的应用。但在实现产业化之前，仍需解决一系列技术难题，并建立健全的产业化链条。
先进光纤激光技术及应用 光纤激光技术是一种利用光纤介导光束进行激光传输和操控的技术。光纤激光技术的出现与应用对于现代通信、医学、工业制造等领域都产生了深远的影响。 在光纤激光技术中，激光器的输出光通过光纤传输到目标位置，然后对目标进行激光加工、切割、打标、焊接等操作。光纤激光技术的核心是将激光束高效地耦合进光纤中，并保持激光束在光纤中的稳定传输，这需要光纤的设计和制备工艺、光纤激光器的光束调控技术等的支持。 光纤激光技术在通信领域有广泛的应用，其中最重要的是光纤通信。传统的电信通信主要依靠电缆，而光纤通信则利用光纤激光器将信息转换为光信号进行传输，具有传输速度快、带宽大的优点。在长距离通信中，光纤激光技术几乎代替了传统的电缆通信，成为主要的通信手段。 除了通信领域，光纤激光技术在医学领域也有重要应用。光纤激光切割是一种微创手术技术，具有创伤小、出血少、恢复快等优点。光纤激光技术可以用于眼科手术、皮肤整形、血管手术等。另外，光纤激光还可以用于诊断，例如通过光纤激光显微镜可以观察细胞变化，对癌症、糖尿病等疾病进行早期诊断。 在工业制造领域，光纤激光技术也被广泛应用于激光焊接、激光切割、激光打标等工艺中。光纤激光器具有体积小、重量轻、稳定性好等优点，可以穿透材料进行切割或者焊接，广泛应用于汽车制造、航空航天、电子制造等行业。
此外，光纤激光技术还在科学研究中发挥重要作用。光纤激光器具有较高的单模束质量，可以用于光谱分析、实验室测量、科学研究等领域。例如，在光谱分析中，由于激光的单色性和亮度高，可以获得更准确的测量结果。 总的来说，光纤激光技术的先进性和广泛应用使之成为现代科技领域的核心技术之一。随着技术的不断发展和创新，相信光纤激光技术在通信、医学、工业制造等领域的应用会越来越广泛。