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激光器-光纤耦合输出
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光纤耦合半导体激光器是什么？
有线阵和面阵两种。可作延迟线和移位寄存器，也可作模拟信号处理和存储用。在当前摄像头中几乎全部用电荷耦合器件，抗干扰力差。有“或”和“或非”两种输出。 电荷耦合器件 ： 利用少数载流子在表面层势垒中存储和转移而制成的器件。可构成各种逻辑关系。由金属氧化物半导体电容阵列构成。特点为开关速度快，甚至达亚毫微秒，但功耗大两个人在一起叫做“耦”。耦合就是交合的意思了： 晶体管导通时工作在非饱和区的一种逻辑集成电路。相关术语—— 发射极耦合逻辑集成电路
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光纤复习题5
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光纤激光器
光纤激光器（Fiber Laser）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。
光纤激光器概述
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，作为其他激光器的源等等。
光纤激光器工作原理
光纤是以SiO2为基质材料拉成的玻璃实体纤维，其导光原理是利用光的全反射原理，即当光以大于临界角的角度由折射率大的光密介质入射到折射率小的光疏介质时，将发生全反射，入射光全部反射到折射率大的光密介质，折射率小的光疏介质内将没有光透过。普通裸光纤一般由中心高折射率玻璃芯、中间低折射率硅玻璃包层和最外部的加强树脂涂层组成。光纤按传播光波模式可分为单模光纤和多模光纤。单模光纤的芯径较小，只能传播一种模式的光，其模间色散较小。多模光纤的芯径较粗，可传播多种模式的光，但其模间色散较大。按折射率分布的情况化分，可分为阶跃折射率（SI）光纤和渐变折射率（GI）光纤。
以稀土掺杂光纤激光器为例，掺有稀土离子的光纤芯作为增益介质，掺杂光纤固定在两个反射镜间构成谐振腔，泵浦光从M1入射到光纤中，从M2输出激光（参见右图）。
图1 光纤激光器结构
当泵浦光通过光纤时，光纤中的稀土离子吸收泵浦光，其电子被激励到较高的激发能级上，实现了离子数反转。反转后的粒子以辐射形成从高能级转移到 基态，输出激光。图1的反射镜谐振腔主要用以说明光纤激光器的原理。实际的光纤激光器可采用多种全光纤谐振腔。
图2为采用2×2光纤耦合器构成的光纤环路反射器及由此种反射器构成的全光纤激光器，（a）表示将光纤耦合器两输出端口联结成环，（b）表示与此光纤环等效的用分立光学元件构成的光学系统，（c）表示两只光纤环反射器串接一段掺稀土离子光纤，构成全光纤型激光器。以掺Nd3+石英光纤激光器为例，应用806nm波长的AlGaAs（铝镓砷）半导体激光器为泵浦源，光纤激光器的激光发射波长为1064nm，泵浦阀值约470μW。
图2 全光纤激光腔的构成示意图
利用2×2光纤耦合器可以构成光纤环形激光器。如图3（a）所示，将光纤耦合器输入端2联结一段稀土掺杂光纤，再将掺杂光纤联结耦合器输出端4而成环。泵浦光由耦合器端1注入，经耦合器进入光纤环而泵浦其中的稀土离子，激光在光纤环中形成并由耦合器端口3输出。这是一种行波型激光器，光纤耦合器的耦合比越小，表示储存在光纤环内的能量越大，激光器的阈值也越低。典型的掺Nd3+光纤环形激光器，耦合比≤10%，利用染料激光器595nm波长的输出进行泵浦，产生1 078mn的激光，阈值为几个毫瓦。上述光纤环形激光腔的等效分立光学元件的光路安排如图3（b）所示。
利用光纤中稀土离子荧光谱带宽的特点，在上述各种激光腔内加入波长选择性光学元件，如光栅等，可构成可调谐光纤激光器，典型的掺Er3+光纤激光器在1 536和1 550nm处可调谐14nm和llnm。如
图3 光纤环形激光器示意图
果采用特别的光纤激光腔设计，可实现单纵模运转，激光线宽可小至数十兆赫，甚至达10kHz的量级。光纤激光器在腔内加入声光调制器，可实现调Q或锁模运转。调Q掺Er3+石英光纤激光器，脉冲宽度32ns，重复频率800Hz，峰值功率可达120W。锁模实验，得到光脉冲宽度2.8ps和重复频率810MHz的结果，可望用作孤子激光源。
稀土掺杂石英光纤激光器以成熟的石英光纤工艺为基础，因而损耗低和精确的参数控制均得到保证。适当加以选择可使光纤在泵浦波长和激射波长均工作于单模状态，可达到高的泵浦效率，光纤的表面积与体积之比很大，散热效果很好，因此，光纤激光器一般仅需低功率的泵浦即可实现连续波运转。光纤激光器易于与各种光纤系统的普通光纤实现高效率的接续，且柔软、细小，因此不但在光纤通信和传感方面，而且在医疗、计测以及仪器制造等方面都有极大的应用价值。
光纤激光器类型
按照光纤材料的种类，光纤激光器可分为：
1、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。
2、非线性光学型光纤激光器。主要有光纤激光器和光纤激光器。
3、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。
4、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。
按增益介质分类为：
a)晶体光纤激光器。工作物质是激光光纤，主要有单晶光纤激光器和Nd3+:YAG单晶光纤激光器等。
b)非线性光学型光纤激光器。主要有受激喇曼散射光纤和受激布里渊散射光纤激光器。
c)稀土类掺杂光纤激光器。向光纤中掺杂稀土类元素离子使之激活，(Nd3+、Er3+、Yb3+、Tm3+等，基质可以是石英玻璃、氟化锆玻璃、单晶)而制成激光器。
d)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。
(2)按谐振腔结构分类为F-P腔、环形腔、环路反射器光纤谐振腔以及“8”字形腔、DBR光纤激光器、DFB光纤激光器等。
(3)按光纤结构分类为单包层光纤激光器、双包层光纤激光器、晶体光纤激光器、特种光纤激光器。
(4)按输出激光特性分类为连续光纤激光器和脉冲光纤激光器，其中脉冲光纤激光器根据其脉冲形成原理又可分为调Q光纤激光器(脉冲宽度为ns量级)和锁模光纤激光器(脉冲宽度为ps或fs量级)。
(5)根据激光输出波长数目可分为单波长光纤激光器和多波长光纤激光器。
(6)根据激光输出波长的可调谐特性分为可单波长激光器，可调谐多波长激光器。
(7)按激光输出波长的波段分类为S-波段( nm)、C-波段( nm)、L-波段( nm)。
(8)按照是否锁模，可以分为：连续光激光器和锁模激光器。通常的多波长激光器属于连续光激光器。
按照锁模器件而言，可以分为被动锁模激光器和主动锁模激光器。
其中被动锁模激光器又有:
等效/假饱和吸收体：非线性旋转锁模激光器(8字型，NOLM和NPR)
真饱和吸收体： SESAM或者材料(碳纳米管，石墨烯，拓扑绝缘体等)。
光纤激光器优势
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）由于光纤激光器的谐振腔内无光学镜片，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,商用化的光纤激光器是六千瓦。
光纤激光器劣势
由于光纤纤芯很小。相比于固体激光器，其单脉冲能量很小。
光纤激光器技术
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。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。
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。
3、很宽的泵浦波长范围
高功率的光纤激光器内的活性包层光纤掺杂了铒/镱稀土元素，有一个宽且又平坦的光波吸收区(930-970nm),因此，泵浦二极管不需任何类型的波长稳定装置
泵浦光多次横穿过单模光纤纤芯，因此其利用率高。
5、高可靠性
多模泵浦二极管比起单模泵浦二极管来其稳定性要高出很多。其几何上的宽面就使得激光器的断面上的光功率密度很低且通过活性面的电流密度亦很低。这样一来，泵浦二极管其可靠运转寿命超过100万小时。
实现包层泵浦光纤激光器的技术概括起来可分为线形腔单端泵浦、线形腔双端泵浦、全光纤环形腔双包层光纤激光器三大类，不同特色的双包层光纤激光器可由该三种基本类型拓展得到。
OFC－2002的一篇文献采用的结构，实现了输出功率为3.8W、阈值为1.7W，倾斜效率高达85%的新型包层泵浦光纤激光器[1]。在产品技术方面，IPG公司异军突起，已开发出700W的掺镱双包层光纤激光器，并宣称将推出2000W的光纤激光器。
光纤激光器应用
光纤激光器7.1 标刻应用
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。
一套光纤激光打标系统可以由一个或两个功率为25W的光纤激光器，一个或两个用来导光到工件上的扫描头以及一台控制扫描头的工业电脑组成。这种设计比用一个50W激光器分束到两个扫描头上的方式高出达4倍以上的效率。该系统最大打标范围是175mm*295mm，光斑大小是35um，在全标刻范围内绝对定位精度是+/-100um。100um工作距离时的聚焦光斑可小到15um。
光纤激光器7.2 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。
光纤激光器7.3 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。
光纤激光器7.4 激光切割的应用
随着光纤激光器的功率不断攀升，光纤激光器在工业切割方面得以被规模化应用。比如：用快速斩波的连续光纤激光器微切割不锈钢动脉管。由于它的高光束质量，光纤激光器可以获得非常小的聚焦直径和由此带来的小切缝宽度正在刷新医疗器件工业的标准。
由于其波段涵盖了1.3μm和1.5μm两个主要通信窗口，因此光纤激光器在光通信领域拥有不可替代的地位，大功率双包层光纤激光器的研制成功使其在激光加工领域的市场需求也呈迅速扩展的趋势。光纤激光器在激光加工领域的范围和所需性能具体如下：软焊和烧结：50－500W；聚合物和复合材料切割：200W－1kW；去激活：300W－1kW；快速印刷和打印：20W－1kW；金属淬火和涂敷：2－20kW；玻璃和硅切割：500 W－2kW。此外，随着紫外光纤光栅写入和包层泵浦技术的发展，输出波段在、蓝光、绿光、红光及的波长上转换光纤激光器已可以作为实用的全固化光源而广泛应用于数据存储，彩色显示，医学荧光诊断。远红外波长输出的光纤激光器由于其结构灵巧紧凑，能量和波长可调谐等优点，也在激光医疗和生物工程等领域得到应用。
光纤激光器发展史
早期对激光器的研制主要集中在研究短脉冲的输出和可调谐波长范围的扩展方面。今天，(DWDM)和光的飞速发展及日益进步加速和刺激着多波长光纤激光器技术、超连续光纤激光器等的进步。同时，多波长光纤激光器和超连续光纤激光器的出现，则为低成本地实现Tb/s的DWDM或OTDM传输提供理想的解决方案。就其实现的技术途径来看，采用EDFA放大的自发辐射、飞秒脉冲技术、超发光三极管等技术均见报道。
国内外对于光纤激光器的研究方向和热点主要集中在高功率光纤激光器、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。
1962年世界上第一个GaAs问世以来，已有五十余年的历史，半导体激光器已广泛地应用于激光通信、光盘存储、激光检测等领域。
随着半导体激光器连续输出功率的日益提高，其应用范围也不断扩大，其中大功率半导体激光器泵浦的（DPSSL）是它最大的应用领域之一。这一技术综合了半导体激光器与固体激光器的优点，不仅将半导体激光器的波长转换为固体激光器的波长，而且伴随光束质量的改善和光谱线宽的压缩，以及实现脉冲输出等。半导体激光器体积小、重量轻，直接电子注入具有很高的量子效率，可以通过调整组份和控制温度得到不同的波长与固体激光材料的吸收波长相匹配，但它本身的光束质量较差，且两个方向不对称，横模特性也不尽理想。而固体激光器的输出光束质量较高，有很高的时间和空间相干性，光谱线宽与光束发散角比半导体激光小几个量级。对于DPSSL，是吸收波长短的高能量光子，转化为波长较长的低能量光子，这样总有一部分能量以无辐射跃迁的方式转换为热。这部分热能量将如何从块状激光介质中散发、排除成为的关键技术。为此，人们开始探索增大散热面积的方法。
方法之一就是将激光介质做成细长的光纤形状。
所谓光纤激光器就是用光纤作激光介质的激光器，1964年世界上第一代就是光纤激光器。由于光纤的纤芯很细，一般的泵浦源（例如气体放电灯）很难聚焦到芯部。所以在以后的二十余年中光纤激光器没有得到很好的发展。随着半导体激光器泵浦技术的发展，以及光纤通信蓬勃发展的需要，1987年及美国贝尔实验室实验证明了（EDFA）的可行性。它采用半导体激光光泵掺铒单模光纤对光信号实现放大，这种EDFA已经成为光纤通信中不可缺少的重要器件。由于要将半导体激光泵浦入单模光纤的纤芯（一般直径小于10um），要求半导体激光也必须为单模的，这使得单模EDFA难以实现高功率，报道的最高功率也就几百毫瓦。
为了提高功率，1988年左右有人提出光泵由包层进入。初期的设计是圆形的内包层，但由于圆形内包层完美的对称性，使得泵浦吸收效率不高，直到九十年代初矩形内包层的出现，使激光转换效率提高到50%，输出功率达到5瓦。1999年用四个45瓦的半导体激光器从两端泵浦，获得了110瓦的单模连续激光输出。近两年，随着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逐步提高，采用单根光纤，已经实现了1000瓦的激光输出。
随着的广泛应用和发展，超快速、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。其中，以光纤 作基质的光纤激光器，在降低阈值、振荡波长范围、波长可调谐性能等方面，已明显取得进步，是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。光纤激光器技术是研究的热点技术之一。
光纤激光器由于其具有绝对理想的光束质量、超高的转换效率、完全免维护、高稳定性以及体积小等优点，对传统的激光行业产生巨大而积极的影响。 最新市场调查显示：光纤激光器供应商将争夺固体激光器及其他激光器在若干关键应用领域的市场份额，而这些市场份额在未来几年将稳步看涨。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愈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。
光纤激光器进展
2002年报道了在掺Yb3 + 双包层光纤器中得到了脉宽4. 8ns 的自调Q 脉冲输出和混合调Q 双包层光纤激光中得到峰值功率大于8kW ,脉宽小于2ns 的脉冲输出。
2003年南开大学报道了利用脉冲泵浦获得100kW 峰值功率的调Q 脉冲,以及得到的60nm 可调谐的调Q 脉冲。
日报道，科学家在激光领域取得新成果，成功开发出输出功率高达107W的光纤激光器。此激光器的全称为“高功率掺镱双包层光纤激光器”，与已有的激光器相比它的维护费用和功率消耗都要低得多，寿命是普通激光器的几十倍。该课题组的负责人之一楼祺洪告诉记者，激光打印有着广泛的应用前景，与市民生活直接相关的如食品的生产日期、防伪标志等，若以激光打印代替油墨打印清晰度高、永不褪色、难以仿冒、利于环保，具有国际流行的新趋势。上海科学家研制的光纤激光器使光纤激光输出功率又上升了一个新台阶，达107W，已经遥遥领先于全国同行。
2004年，南开大学又报道了连续泵浦206kW峰值功率的调Q 脉冲。
日，烽火通信继推出激光输出功率达100W以上的双包层掺镱光纤后，经过艰苦的攻关再创佳绩，将该类新型光纤的输出功率成功提高至440W，达到国际领先水平。
2012年，国内首台拥有自主知识产权的1000W工业级光纤激光器在西安诞生。这一科研成果的产业化，不仅将满足我国工业加工领域对高功率光纤激光器的市场需求，同时也将打破国外高功率光纤激光器的市场垄断局面，推动我国光纤激光加工产业进一步发展。
2012年11月，华工科技旗下华工激光与锐科公司共同研制的4千瓦光纤激光器，通过了省级科技成果鉴定。鉴定专家组主任委员、中国光学学会理事长周炳琨院士指出，这项技术填补了国内空白，达到国际先进水平，获得4项国家发明专利。[5]
光纤激光器作为第三代激光技术的代表，具有其他激光器无可比拟的技术优越性。不过，我们认为，在短期内，光纤激光器将主要聚焦在高端用途上随光纤激光器的普及，成本的降低以及产能的提高，最终将可能会替代掉全球大部分高功率和绝大部分YAG激光器。
光纤激光器切割机
随着光纤制造工艺与半导体激光器生产技术的日趋成熟，以光纤为基质的光纤激光器，在降低阈值、振荡波长范围、波长可调谐性能等方面取得明显进步，成为激光领域的新兴技术，也是众多热门研究课题之一，光纤激光器采用掺稀土元素光纤作为增益介质，泵浦光在纤芯内形成高功率密度，造成掺杂离子能级的“粒子数反转”，当适当加入正反馈回路（构成谐振腔）时，便产生激光输出。光纤激光器的应用范围非常广泛，包括光纤通信、激光空间远距询信、造船、汽车制造、、、、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。
光纤激光器和其他激光器一样，由能产生光子的工作介质，使光子得到反馈并在工作介质中进行谐振放大的光学谐振腔和激励光跃迁的泵浦源三部分组成，只不过光纤激光器的工作介质是同时起着导波作用的掺杂光纤，因此，光纤激光器是一个波导型的谐振装置。光纤激光器一般采用光泵浦方式，泵浦光被耦合进入光纤，泵浦波长上的光子被介质吸收，形成粒子数反转，最后在光纤介质中产生受激辐射而输出激光，因此，光纤激光器实质上是一个波长转换器。光纤激光器的谐振腔一般由两面和对的平面反射镜组成，信号以波导的形式在腔内传输。
光纤激光器原理特性
由于光纤激光器采用的工作介质具有光纤的形式，其特性要受到光纤渡导性质的影响。进入到光纤中的泵浦光一般具有多个模式，而信号光电可能具有多个模式，不同的泵浦模式对不同的信号模式产生不同的影响，使得光纤激光器和放大器的分析比较复杂，在很多情况下难以得到解析解，不得不借助于数值计算。光纤中的掺杂分布对光纤激光器也产生很大的影响，为了使介质具有增益特性，将工作离子（即杂质）掺杂进光纤。一般情况下，工作离子在纤芯中均匀分布．但不同模式的泵浦光在光纤中的分布是非均匀的。因而，为了提高泵浦效率，应该尽量使离子分布和泵浦能量的分布相重合。在对光纤激光器进行分析时，除了基于前面讨论的激光器的一般原理，还要考虑其自身特点，引入不同的模型和采用特殊的分析方法，以达到最好的分析效果。　　和传统的固体、气体激光器一样，光纤激光器也是由泵浦源、增益介质、谐振腔三个基本要素组成。泵浦源一般采用高功率半导体激光器，增益介质为稀土掺杂光纤或普通非线性光纤，谐振腔可以由光纤光栅等光学反馈元件构成各种直线型谐振腔，也可以用耦合器构成各种环形谐振腔。泵浦光经适当的光学系统耦合进入增益光纤，增益光纤在吸收泵浦光后形成粒子数反转或非线性增益并产生自发发射。所产生的自发发射光经受激放大和谐振腔的选模作用后，最终形成稳定激光输出。
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