光纤激光器__陈嘉懿

1、主讲人：陈嘉懿光纤激光器目录l光纤激光器l光纤激光器的发展历史l光纤激光器的原理l光纤激光器的类型l光纤激光器的优势l光纤激光器的应用l我国光纤激光器目前的研究进展光纤激光器 光纤激光器：用掺稀土元素玻璃光纤作光纤激光器：用掺稀土元素玻璃光纤作为增益介质的激光器。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高功率密度，造成激光工作物质的激光能级“粒子数反转粒子数反转”，当适当加入正反馈回路，当适当加入正反馈回路（构成谐振腔）便可形成激光

2、振荡输出。（构成谐振腔）便可形成激光振荡输出。光纤激光器发展历史 早期：主要集中研究短脉冲的输出和可调谐早期：主要集中研究短脉冲的输出和可调谐波长范围的扩展方面。波长范围的扩展方面。 今天，密集波分复用今天，密集波分复用(DWDM)技术；光时分技术；光时分复用技术；多波长光纤激光器技术刺激着多波长复用技术；多波长光纤激光器技术刺激着多波长光纤激光器技术和超连续光纤激光器等的进步，光纤激光器技术和超连续光纤激光器等的进步，为低成本地实现为低成本地实现Tb/s的的DWDM或或OTDM传输提供传输提供理想的解决方案。理想的解决方案。目前：国内外主要集中在高功率光纤激光器、目前：国内外主要集中在高功率

3、光纤激光器、高功率光子晶体光纤激光器、窄线宽可调谐光纤高功率光子晶体光纤激光器、窄线宽可调谐光纤激光器、多波长光纤激光器、非线性效应光纤激激光器、多波长光纤激光器、非线性效应光纤激光器和超短脉冲光纤激光器等几个方面光器和超短脉冲光纤激光器等几个方面 。光纤激光器的原理 光纤激光器和其他激光器一样，由能产生光子的增益介质、光纤激光器和其他激光器一样，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激励光子跃迁的泵浦源三部分组成。和激励光子跃迁的泵浦源三部分组成。 基本原理基本原理 泵浦光掺杂光纤腔镜腔镜输出激光光纤

4、激光器结构示意图光纤激光器结构示意图光纤激光器的类型 光纤激光器种类很多，光纤激光器种类很多，如如按光纤结构可分为：单包层光纤按光纤结构可分为：单包层光纤激光器和双包层光纤激光器；按掺杂元素可分为：掺铒、钕、激光器和双包层光纤激光器；按掺杂元素可分为：掺铒、钕、镨、铥、镱、钬等镨、铥、镱、钬等1515种；种； (1)(1)稀土类掺杂光纤激光器稀土类掺杂光纤激光器 稀土元素包括稀土元素包括1515种元素，在元素周期表中位于第五行。目种元素，在元素周期表中位于第五行。目前在比较成熟的有源光纤中掺入的稀土离子有：铒（前在比较成熟的有源光纤中掺入的稀土离子有：铒（ErEr3+3+）、）、钕钕(Nd(N

5、d3+3+) )、镨、镨(Pr(Pr3+3+) )、铥、铥(Tm(Tm3+3+) )、镱、镱(Yd(Yd3+3+) )。 (2)(2)光纤受激拉曼散射激光器光纤受激拉曼散射激光器 这类激光器与掺杂光纤激光器相比具有更高的饱和功率，这类激光器与掺杂光纤激光器相比具有更高的饱和功率，且没有泵浦源限制，在光纤传感、波分复用（且没有泵浦源限制，在光纤传感、波分复用（WDMWDM）及相干光）及相干光通信系统中有着重要应用。一种简单的全光纤受激拉曼散射通信系统中有着重要应用。一种简单的全光纤受激拉曼散射激光器见下图所示，这是一种单向环形行波腔，耦合器的光激光器见下图所示，这是一种单向环形行波腔，耦合器的光

6、强耦合系数为强耦合系数为K K。一般典型的受激拉曼分子主要有。一般典型的受激拉曼分子主要有GeOGeO2 2、SiOSiO2 2、P P2 2O O5 5。 受激拉曼散射光纤激光器示意图受激拉曼散射光纤激光器示意图 (3)(3)光纤光栅激光器光纤光栅激光器 DBR DBR光纤激光器基本结构如下图所示，利用一段稀土掺光纤激光器基本结构如下图所示，利用一段稀土掺杂光纤和一对相同谐振波长的光纤光栅构成谐振腔，它能实杂光纤和一对相同谐振波长的光纤光栅构成谐振腔，它能实现单纵模工作。现单纵模工作。 DBRDBR光纤光栅激光器基本结构示意图光纤光栅激光器基本结构示意图 (3)(3)光纤光栅激光器光纤光栅激

7、光器 DFB DFB光纤光栅激光器基本结构如下图所示，在稀土掺杂光纤光栅激光器基本结构如下图所示，在稀土掺杂光纤上直接写入的光栅构成谐振腔，其有源区和反馈区同为光纤上直接写入的光栅构成谐振腔，其有源区和反馈区同为一体。一体。 DFB光纤光栅激光器基本结构示意图光纤光栅激光器基本结构示意图 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，光纤激光器作为第三代激光技术的代表，具有以下优势：具有以下优势： （1）玻璃光纤制造成本低、技术成熟）玻璃光纤制造成本低、技术成熟及其光纤的可饶性；及其光纤的可饶性； （2）玻璃光纤对入射泵浦光不需要像）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

8、；晶体那样的严格的相位匹配； （3）玻璃材料具有极低的体积面积比，）玻璃材料具有极低的体积面积比，散热快、损耗低；散热快、损耗低； （4）输出激光波长多；）输出激光波长多； （5）可调谐性；）可调谐性； （6 6）免调节、免维护、高稳定性；）免调节、免维护、高稳定性； （7 7）光纤导出，使得激光器能轻易胜）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；的设计变得非常简单； （8 8）胜任恶劣的工作环境；）胜任恶劣的工作环境； （9 9）不需热电制冷和水冷；）不需热电制冷和水冷； （1010）高的电光效率：综合电光效

9、率高）高的电光效率：综合电光效率高达达20%20%以上；以上； （1111）高功率）高功率, ,目前商用化的光纤激光目前商用化的光纤激光器是六千瓦；器是六千瓦； 光纤激光器的应用激光打标激光打标 包括半导体芯片包括半导体芯片/晶元片晶元片/集成电路集成电路/电子器件，电子器件，医疗器件，手机医疗器件，手机/计算机键盘，仪器面板计算机键盘，仪器面板/按键，按键，服装钮扣，香烟服装钮扣，香烟/食品包装等。食品包装等。CO2和和YAG激光器：激光器：体积大；高功耗；短体积大；高功耗；短寿命；高维护费用；寿命；高维护费用；使用不方便。使用不方便。掺镱光纤激光器：体积小；低功耗；长寿命掺镱光纤激光器：体

10、积小；低功耗；长寿命 ；低成本，免维护；光束质量好，工作面处功率低成本，免维护；光束质量好，工作面处功率密度高；光纤传输到工作面，使用方便。密度高；光纤传输到工作面，使用方便。在线打标在线打标激光雕刻激光雕刻精密电子元器件精密电子元器件 激光雕刻激光雕刻高功率材料加工心脏支架的切割及其应用心脏支架的切割及其应用大功率光纤激光器大功率光纤激光器我国光纤激光器目前的研究进展 国内有众多的高校和研究所在进行掺镱双包层光纤激光国内有众多的高校和研究所在进行掺镱双包层光纤激光器的研究工作器的研究工作 （1）上海光机所在得到百瓦功率之后，又获得了）上海光机所在得到百瓦功率之后，又获得了200W的输出功率，

11、光的输出功率，光-光转换效率接近光转换效率接近70%，在该项目，在该项目的研究中，已经申请了十几项专利技术。的研究中，已经申请了十几项专利技术。（2）南开大学在研制出短脉冲光纤激光器的同时，大）南开大学在研制出短脉冲光纤激光器的同时，大胆创新，率先研制出了双包层光纤光栅，为双包层光纤胆创新，率先研制出了双包层光纤光栅，为双包层光纤激光器的全光纤化研究，迈出了重要的一步。激光器的全光纤化研究，迈出了重要的一步。 （3）武汉烽火通信成功推出了完全达到商用水平的双包层）武汉烽火通信成功推出了完全达到商用水平的双包层掺镱光纤产品。据悉，通过上海光机所试用，其斜率效率掺镱光纤产品。据悉，通过上海光机所试

12、用，其斜率效率达到达到66以上，在选用合适的光纤长度和泵浦功率的条件以上，在选用合适的光纤长度和泵浦功率的条件下，可实现下，可实现100W以上的激光功率输出，达到国际先进水平。以上的激光功率输出，达到国际先进水平。（4）上海光机所在大芯径单模光子晶体光纤研制中获新进）上海光机所在大芯径单模光子晶体光纤研制中获新进展，成功地拉制出芯径达展，成功地拉制出芯径达40m的单模光子晶体光纤。深圳的单模光子晶体光纤。深圳大学也成功研制出了大学也成功研制出了15W 光子晶体光纤激光器光子晶体光纤激光器 。展望 光纤激光器的优良性能，决定了它比半导体激光器光纤激光器的优良性能，决定了它比半导体激光器和大型激光器拥有更多的优势，和大型激光器拥有更多的优势， 其应用范围越来越广阔，其应用范围越来越广阔，为满足快速增长的巨大的市场需求，美国、西欧、日本为满足快速增长的巨大的市场需求，美国、西欧、日本和我国都已纷纷加大了光纤激光器的研发力度。和我国都已纷纷加大了光纤激光器的研发力度。 光纤激光器不仅在光纤通信领域占有越来越重要的光纤激光器不仅在光纤通信领域占有越