浅析高功率光纤激光器

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1、浅析高功率光纤激光器前言：所谓高功率光纤激光器，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L

2、D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。纤芯包

3、层图一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。（图二）图3-2dD形内图包层双包层光纤横剖面纤芯内包层外包层保护层纤芯内包层外包层图二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

4、，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Nd

5、3+，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。2、工作物质只要是晶体就无法回避激光棒的热透镜效应、热应变和热致双折射现象，严重时出现“激光淬灭”和激光棒断裂；所以，YAG激光器效率很低。3、Nd:YAG棒的主要吸收谱线在810nm附近，其带宽约为2nm，所以要严格控制泵浦源的线宽，否则吸收无效反而造成热损耗，所以YAG激光器一般要加庞大的冷却系统。4、由于Nd3+半径与Y3+半径不

6、完全相符，Nd3+离子掺入YAG晶体中在结构上存有天生的缺陷造成光学瑕疵，不能够在YAG晶体中掺入高浓度的Nd3+来实现高增益，这同时也是影响激光器光学性能的根本。1、处于亚稳态能级的Nd3+离子平均寿命长为300us，其最佳Q开关重复频率只能是1/300us，即3.3Khz，所以YAG激光器的Q开关一般设定为3-5Khz而无法实现高频工作。光学谐振腔：传统光学谐振腔主要由工作物质两端镀了膜的两块镜片组成，起着正反馈、选模和输出耦合的作用。比较光纤激光器独特的腔结构，传统光学谐振腔主要有如下特点：1、由于是由两块镜片组成，谐振腔受到机械振动、热透镜

7、效应以及晶体棒热焦距扰动影响，从而造成激光无法正常出光，需极为烦琐的调光与监控。2、腔镜对灰尘、水分和杂物十分敏感，需经常专业擦拭，否则影响激光功率。3、腔长长度与输出功率是一对矛盾，光束质量与激光能量是一对矛盾；只有采取昂贵的选模/锁模腔才可以实现高质量的大功率输出。4、从激光晶体激励出来的初始激光不是单模光，而是一束直径为几毫米的光束，必须通过腔镜衰减或选模机制来实现单模输出，从而降低了整体转换效率。泵浦系统：由于灯泵系统的优缺点广为人知，在此仅谈谈DPSSL的泵浦方式的某些特性：1、由于DPPSSL主要是在泵浦系统上稍作改进，它只能缓解激光棒

8、热效应，而无法从本质上根除晶体激光器的这个弊病。2、需严格控制LD的波长在808-812nm之间，要么加冷却系统，要么加波