光纤激光器的简单介绍
摘 要：光纤激光器作为目前最为活跃的激光光源器件，它是激光技术的前沿课题。简要介绍了光纤激光器的基本原理、分类及特点，并对光纤激光器技术的应用作了简单介绍。
关键词：光纤激光器 原理 特点 应用
1 引言
光纤激光器的研究工作最早开始于1961年，由美国光学公司(American Optical Company)的E ．Snitzer 等最先提出。但是由于受到当时条件的限制，实验工作没有很大的进展。直到八十年代，用 MCVD 法成功制成了低损耗的掺铒光纤，才为光纤激光器的发展带来了新的前景。和传统的半导体激光器相比，光纤激光器具有高增益、斜率效率高、线宽窄、可宽带调谐、散热性能好以及易于和传输光纤耦合等优点。因此它在通信、军事、医疗和光信息处理等领域都将有广阔的应用前景，特别是在光通信领域，随着光波分复用和光时分复用技术的发展，光纤激光器将能很好地满足通信系统对光源的更高要求。
2 光纤激光器的基本原理、分类及特点
2.1光纤激光器的基本原理[1]
目前开发的光纤激光器主要采用掺稀土元素的光纤作为增益介质。光纤激光器工作原理是泵浦光通过反射镜 （或光栅）入射到掺杂光纤中，吸收了光子能量的稀土离子会发生能级跃迁，实现“粒子数反转”，反转后的粒子经弛豫后会以辐射形式再从激发态跃迁回到基态，同时将能量以光子形式释放，通过反射镜（或光栅）输出激光，如图1 所示 。
[2]
掺稀土元素的光纤通常为双包层光纤（Double Clad Fiber,DCF）。此种光纤结构如图2所示，由外包层、内包层和掺杂纤芯所构成，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，从而构成双层的波导结构。掺杂双包层光纤是构成光纤激光器的关键部件，在光纤激光器中的作用主要是：）将泵浦光功率转换为激光的工作介质；）与其他器件共同构成激光谐振腔。其工作原理主要是：将泵浦光通过侧向或端面耦合注入光纤，由于外包层折射率远低
于光纤的内包层，所以内包层可以传输多模泵浦光。内包层的横截面尺寸大于纤芯，对于所产生的激光波长，内包层与掺稀土离子的纤芯构成了完善的单模光波导，同时它又与外包层构成了传输泵浦光功率的多模光波导。这样可以将大功率多模泵浦光耦合进入内包层，多模泵浦光沿光纤传输的过程中多次穿过纤芯并被吸收，由于纤芯中稀土离子被激发，从而产生较大功率信号激光输出。工作原理如图2所示。
[3]
2.2 光纤激光器的分类
光纤激光器种类很多，根据其激射机理、器件结构和输出激光特性的不同可以有多种不同的 分类方式。根据目前光纤激光器技术的发展情况，其分类方式和相应的激光器类型主要有以下几种:
（1）按增益介质分类 稀土离子掺杂光纤激光器( Nd3+、Er 3+、Yb 3+、Tm 3+等，基质可以是石 英玻璃、氟化锆玻璃、单晶) ，非线性效应光纤激光器(利用光纤中的SRS 、SBS 非线性效应产生波长可调谐的激光) 。在光纤中掺入不同的稀土离子，并采用适当的泵浦技术，即可获得不同波段的激光输出。
（2）按谐振腔结构分类 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。
（3）按光纤结构分类 单和双包层光纤激光器、光子晶体光纤激光器、特种光纤激光器。
（4）按输出激光类型分类 连续光纤激光器，超短脉冲光纤激光器、大功率光纤激光器。
（5）按输出波长分类 S-波段(1460~1530 nm) 、C-波段(1530~1565 nm) 、L- 波段(1565~1610 nm) ，可调谐单波长激光器，可调谐多波长激光器。
2.3 光纤激光器的显著特点
由于光纤激光器在增益介质和器件结构等方面的特点，与传统的激光技术相比，光纤激光器在很多方面显示出独特的优点。这些优点可以归纳为以下几个主要的方面[4,5]：
(1)较高的泵浦效率。通过对掺杂光纤的结构、掺杂浓度和泵浦光强度和泵浦方式的适当设计，可以使激光器的泵浦效率得到显著提高。例如采用双包层光纤结构, 使用低亮度、廉价的多模LD 泵浦 光源即可实现超过60% 的光光转换效率。
( 2 )易于获得高光束质量的千瓦甚至兆瓦级超大功率激光输出。光纤激光器表面积/ 体积比大, 其工作物质的热负荷小, 易于散热和冷却。
( 3 ) 易实现单模、单频运转和超短脉冲(fs 级) 。
( 4 ) 工作物质为柔性介质，使得激光器的腔结构设计、整机封装和使用均十分方便。
( 5 )激光器可在很宽光谱范围 内(455 ～3500nm) 设计与运行, 应用范围广泛。 ( 6 )与现有通信光纤匹配，易于耦合，可方便地应用于光纤通信和传感系统。
上述特点使得光纤激光器在很多应用领域与传统的固体或气体激光器相比
显示出明显的独特优势。[6]
3 光纤激光器的应用
3.1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 。
3.2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。
3.3 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。
3.4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，输出波段在紫光、
蓝光、绿光、红光及近红外光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。
4 展望
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 CO2激光器和绝大部分Y AG 激光器。
参考文献
[1]侯蓝田, 韩颖. 光纤激光器的发展与应用.[J]燕山大学学报,2011,35(2):98-100
[2]申人升, 张玉书, 杜国同. 光纤激光器研究进展[J] .半导体光电,2009,30(1):1-5.
[3]Richardson D J,Nilsson J ,Clarkson W A .High power fiber lasers:current status and future perspectives [J].Journal of the Optical Society of America B , 2010, 27
(11) :B63-B93.
[4] 刘颂豪. 光纤激光器的新进展[J].光电子技术与信息, 2003, 16(1):1- 8.
[5] 杨青, 俞本立, 等. 光纤激光器的发展现状[J]. 光电子技术与信息,2002, 15(5):13- 18.
[6]武建芬, 陈根祥. 光纤激光器技术及其研究进展.[J]光通信技术，2006,8:49-52
光纤激光器的简单介绍
摘 要：光纤激光器作为目前最为活跃的激光光源器件，它是激光技术的前沿课题。简要介绍了光纤激光器的基本原理、分类及特点，并对光纤激光器技术的应用作了简单介绍。
关键词：光纤激光器 原理 特点 应用
1 引言
光纤激光器的研究工作最早开始于1961年，由美国光学公司(American Optical Company)的E ．Snitzer 等最先提出。但是由于受到当时条件的限制，实验工作没有很大的进展。直到八十年代，用 MCVD 法成功制成了低损耗的掺铒光纤，才为光纤激光器的发展带来了新的前景。和传统的半导体激光器相比，光纤激光器具有高增益、斜率效率高、线宽窄、可宽带调谐、散热性能好以及易于和传输光纤耦合等优点。因此它在通信、军事、医疗和光信息处理等领域都将有广阔的应用前景，特别是在光通信领域，随着光波分复用和光时分复用技术的发展，光纤激光器将能很好地满足通信系统对光源的更高要求。
2 光纤激光器的基本原理、分类及特点
2.1光纤激光器的基本原理[1]
目前开发的光纤激光器主要采用掺稀土元素的光纤作为增益介质。光纤激光器工作原理是泵浦光通过反射镜 （或光栅）入射到掺杂光纤中，吸收了光子能量的稀土离子会发生能级跃迁，实现“粒子数反转”，反转后的粒子经弛豫后会以辐射形式再从激发态跃迁回到基态，同时将能量以光子形式释放，通过反射镜（或光栅）输出激光，如图1 所示 。
[2]
掺稀土元素的光纤通常为双包层光纤（Double Clad Fiber,DCF）。此种光纤结构如图2所示，由外包层、内包层和掺杂纤芯所构成，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，从而构成双层的波导结构。掺杂双包层光纤是构成光纤激光器的关键部件，在光纤激光器中的作用主要是：）将泵浦光功率转换为激光的工作介质；）与其他器件共同构成激光谐振腔。其工作原理主要是：将泵浦光通过侧向或端面耦合注入光纤，由于外包层折射率远低
于光纤的内包层，所以内包层可以传输多模泵浦光。内包层的横截面尺寸大于纤芯，对于所产生的激光波长，内包层与掺稀土离子的纤芯构成了完善的单模光波导，同时它又与外包层构成了传输泵浦光功率的多模光波导。这样可以将大功率多模泵浦光耦合进入内包层，多模泵浦光沿光纤传输的过程中多次穿过纤芯并被吸收，由于纤芯中稀土离子被激发，从而产生较大功率信号激光输出。工作原理如图2所示。
[3]
2.2 光纤激光器的分类
光纤激光器种类很多，根据其激射机理、器件结构和输出激光特性的不同可以有多种不同的 分类方式。根据目前光纤激光器技术的发展情况，其分类方式和相应的激光器类型主要有以下几种:
（1）按增益介质分类 稀土离子掺杂光纤激光器( Nd3+、Er 3+、Yb 3+、Tm 3+等，基质可以是石 英玻璃、氟化锆玻璃、单晶) ，非线性效应光纤激光器(利用光纤中的SRS 、SBS 非线性效应产生波长可调谐的激光) 。在光纤中掺入不同的稀土离子，并采用适当的泵浦技术，即可获得不同波段的激光输出。
（2）按谐振腔结构分类 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。
（3）按光纤结构分类 单和双包层光纤激光器、光子晶体光纤激光器、特种光纤激光器。
（4）按输出激光类型分类 连续光纤激光器，超短脉冲光纤激光器、大功率光纤激光器。
（5）按输出波长分类 S-波段(1460~1530 nm) 、C-波段(1530~1565 nm) 、L- 波段(1565~1610 nm) ，可调谐单波长激光器，可调谐多波长激光器。
2.3 光纤激光器的显著特点
由于光纤激光器在增益介质和器件结构等方面的特点，与传统的激光技术相比，光纤激光器在很多方面显示出独特的优点。这些优点可以归纳为以下几个主要的方面[4,5]：
(1)较高的泵浦效率。通过对掺杂光纤的结构、掺杂浓度和泵浦光强度和泵浦方式的适当设计，可以使激光器的泵浦效率得到显著提高。例如采用双包层光纤结构, 使用低亮度、廉价的多模LD 泵浦 光源即可实现超过60% 的光光转换效率。
( 2 )易于获得高光束质量的千瓦甚至兆瓦级超大功率激光输出。光纤激光器表面积/ 体积比大, 其工作物质的热负荷小, 易于散热和冷却。
( 3 ) 易实现单模、单频运转和超短脉冲(fs 级) 。
( 4 ) 工作物质为柔性介质，使得激光器的腔结构设计、整机封装和使用均十分方便。
( 5 )激光器可在很宽光谱范围 内(455 ～3500nm) 设计与运行, 应用范围广泛。 ( 6 )与现有通信光纤匹配，易于耦合，可方便地应用于光纤通信和传感系统。
上述特点使得光纤激光器在很多应用领域与传统的固体或气体激光器相比
显示出明显的独特优势。[6]
3 光纤激光器的应用
3.1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 。
3.2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。
3.3 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。
3.4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，输出波段在紫光、
蓝光、绿光、红光及近红外光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。
4 展望
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 CO2激光器和绝大部分Y AG 激光器。
参考文献
[1]侯蓝田, 韩颖. 光纤激光器的发展与应用.[J]燕山大学学报,2011,35(2):98-100
[2]申人升, 张玉书, 杜国同. 光纤激光器研究进展[J] .半导体光电,2009,30(1):1-5.
[3]Richardson D J,Nilsson J ,Clarkson W A .High power fiber lasers:current status and future perspectives [J].Journal of the Optical Society of America B , 2010, 27
(11) :B63-B93.
[4] 刘颂豪. 光纤激光器的新进展[J].光电子技术与信息, 2003, 16(1):1- 8.
[5] 杨青, 俞本立, 等. 光纤激光器的发展现状[J]. 光电子技术与信息,2002, 15(5):13- 18.
[6]武建芬, 陈根祥. 光纤激光器技术及其研究进展.[J]光通信技术，2006,8:49-52