光纖調(diào)偉

可根據(jù)不同燃燒時(shí)火焰光源分布情況，以光纖作為信號的傳輸與傳感媒體，對爐膛內(nèi)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控，在電廠及鍋爐燃燒工程中起著非常重要的作用。我司現(xiàn)為美國Forney,fireye,德國Durag,臺灣RIKO等國際專業(yè)的火檢設(shè)備廠商在中國地區(qū)的代理及合作伙伴提供優(yōu)質(zhì)產(chǎn)品。

調(diào) Q 光纖激光器由于具有光束質(zhì)量好、亮度高、效率高、波長可選、易于集成等優(yōu)點(diǎn)，近年來在許多領(lǐng)域引起了人們的廣泛關(guān)注。如工業(yè)、通信、醫(yī)學(xué)、軍事等領(lǐng)域。

調(diào)Q光纖激光器工業(yè)領(lǐng)域

工業(yè)加工領(lǐng)域使用的光纖激光器主要有連續(xù)和脈沖兩種類型。連續(xù)光纖激光器可以提供高達(dá)千瓦級的平均功率，常用于具有一定厚度的陶瓷、金屬等材料的均勻切割和焊接等，但其主要缺點(diǎn)是激光的靶面密度較低，加工粗糙。而脈沖型光纖激光器可以獲得高重復(fù)頻率、高峰值功率的脈沖，與連續(xù)光纖激光器相比，調(diào) Q 脈沖光纖激光器具有許多獨(dú)特的優(yōu)勢：1、熱畸變小，毛刺少，邊緣光滑，可以避免微裂紋及碎屑產(chǎn)生；2、峰值功率高，脈寬小，可以提高加工精度和加工質(zhì)量，實(shí)現(xiàn)微細(xì)加工；3、使金屬深度加工成為可能，且可以實(shí)現(xiàn)可視性較好的打標(biāo)等。

調(diào)Q光纖激光器光通信領(lǐng)域

20 世紀(jì) 60 年代，隨著微波技術(shù)的成熟，具有更高頻率的光波通信技術(shù)的發(fā)展成為必然。光波分復(fù)用(OWDM)、光時(shí)分復(fù)用(OTDM)等技術(shù)的出現(xiàn)使光纖通信得到迅速發(fā)展。特別地，摻鉺光纖放大器(EDFA)以及一些光無源器件的實(shí)用化使密集波分復(fù)用(DWDM)成為了可能，大大增加了傳輸容量，實(shí)現(xiàn)了高功率、長距離傳輸。 微波和電纜通信的載波是電波，相比之下，光波的頻率較高，比較適合作寬帶信號的載頻，而對于傳輸介質(zhì)，光纖比電纜的損耗要低得多。因此，以光波為載波的光纖通信具有許多獨(dú)特的優(yōu)點(diǎn)：

1、頻帶寬，傳輸容量大。理論上單根單模光纖的可利用帶寬可達(dá) 20THz，而在一根光纜中可以容納成百上千的光纖，再加上波分復(fù)用(WDM)、頻分復(fù)用(FDM)等技術(shù)，可以大大增加光纖傳輸系統(tǒng)的容量。

2、損耗低，中繼距離長。銅纜的損耗特性不僅與本身結(jié)構(gòu)參數(shù)有關(guān)，還與傳輸信號的頻率有關(guān)；而光纜的損耗特性僅與本身介質(zhì)參數(shù)有關(guān)。因此，提高光纜的制作工藝可以大大降低損耗，增大中繼距離。目前 1550nm 通信波長的光纖損耗最低，為 0.2dB/km。

3、具有抗電磁干擾能力。光導(dǎo)纖維是由SiO₂ 材料制成，它是一種絕緣材料，不受任何電磁場的干擾。即使在雷電天氣甚至是核輻射的環(huán)境中，也可以實(shí)現(xiàn)正常的信號傳輸。

4、安全，重量輕。由于玻璃材料不易導(dǎo)電，安裝時(shí)較安全，且與金屬電纜材料相比，重量輕，便于安裝。

5、通信質(zhì)量高，保密性好。

6、節(jié)約有色金屬。

20 世紀(jì) 80 年代中期，隨著稀土摻雜光纖的出現(xiàn)，最初的調(diào) Q 技術(shù)是在晶體和玻璃光纖激光器中實(shí)現(xiàn)的。如最初研究的調(diào) Q 摻 Nd、摻 Er 光纖激光器，隨后摻 Yb、摻 Pr 和摻 Tm 光纖激光器也被人們研究。隨著光纖光柵的發(fā)展，光纖激光器結(jié)構(gòu)變得越來越緊湊，同時(shí)實(shí)現(xiàn)了全光纖化調(diào) Q 光纖激光器。

調(diào)Q光纖激光器調(diào) Q 光纖激光器的國外發(fā)展現(xiàn)狀

國外主要研究單位有：墨西哥國家研究所、德國阿貝光子學(xué)中心(耶拿大學(xué))、美國 NP 光電有限公司、美國亞利桑那大學(xué)、土耳其比爾肯大學(xué)、俄羅斯科學(xué)院物理研究所、西班牙巴倫西亞大學(xué)、馬來西亞大學(xué)、印度理工大學(xué)、韓國首爾大學(xué)、挪威科技大學(xué)、加拿大瑞爾森大學(xué)等。其中，英國 SPI、德國 IPHT、美國密歇根大學(xué)和 IPG 公司的研究水平最突出。

由于各種不同增益光纖和腔結(jié)構(gòu)的采用，很多文獻(xiàn)中報(bào)道了不同的實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象，并提出了相應(yīng)的解釋。1986 年，Mears 等人發(fā)表了關(guān)于摻鉺光纖激光器的調(diào)Q 實(shí)驗(yàn)，獲得的脈沖波長為 1550nm，脈沖寬度為 30ns，在 800Hz 重復(fù)頻率下脈沖的峰值功率為 120W。

Myslinski 等人通過使用一段 0.6m 摻鉺光纖，一個(gè) 250mW 波長為 514nm 的泵浦源，以及一個(gè)聲光調(diào)制器構(gòu)成了一個(gè)線形腔結(jié)構(gòu)的調(diào) Q 激光器，獲得了脈沖寬度 8ns，1kHz 重頻下峰值功率為 230W 的 1550nm 調(diào) Q 脈沖。

2012 年，墨西哥 A.Gonzalez-Garcia 等人搭建了 Er/Yb 共摻聲光調(diào) Q 光纖激光器系統(tǒng)。以二向色鏡和光纖干涉環(huán)做激光器諧振腔。獲得了 1549nm 脈沖激光，重復(fù)頻率 45kHz-120kHz 范圍內(nèi)可調(diào)，最小脈沖寬度為 34ns，平均功率為 4W，光-光轉(zhuǎn)換效率為 50%。

2013 年，英國阿斯頓大學(xué) D.saez-Rodriguez 等人在摻鉺光纖激光器中插入腔內(nèi)損耗調(diào)制器，通過控制在包層模中傳輸功率的動(dòng)態(tài)衰減產(chǎn)生脈沖。該動(dòng)態(tài)衰減通過一個(gè)壓電式傳感器的側(cè)向壓力產(chǎn)生。最后在 0-2kHz 重頻內(nèi)，獲得峰值功率為 4kW，脈沖寬度為 80ns 的光脈沖。

然而，靠單純的調(diào) Q 技術(shù)無法獲得更高功率、能量的脈沖，市場上主要的納秒脈沖光纖激光器系統(tǒng)都是采用基于主振蕩功率放大(MOPA)的方法。MOPA結(jié)構(gòu)中種子源性能的好壞決定了最終輸出的脈沖光束質(zhì)量的優(yōu)劣，所以它的優(yōu)點(diǎn)在于種子源選取的靈活性，可以選擇輸出特性良好的種子源實(shí)現(xiàn)高品質(zhì)的脈沖激光輸出，并通過不同纖芯尺寸的增益光纖進(jìn)行多級放大，實(shí)現(xiàn)高功率輸出的同時(shí)解決了光纖中的熱損傷和非線性效應(yīng)問題。

2012 年，土耳其 I.Pavlov 等人報(bào)道了一個(gè)全光纖單模 1550nmMOPA 系統(tǒng)。系統(tǒng)中種子源采用全光纖調(diào) Q 激光器，其脈沖寬度為 15ns。輸出種子脈沖激光通過鉺鐿共摻雙包層光纖進(jìn)行三級放大，最終獲得的脈沖能量為 0.2mJ，脈沖寬度為 10ns，峰值功率為 20kW，平均功率大于 10W。該峰值功率是 1550nm 波長單模脈沖光纖激光系統(tǒng)的最高水平。

同年，美國 NP 光電有限公司搭建了基于 MOPA 結(jié)構(gòu)的摻銩調(diào) Q 脈沖光纖激光器系統(tǒng)。其摻銩調(diào) Q 種子源激光器中采用壓電換能器(PZT)為調(diào) Q 元件，獲得波長為 2um 的脈沖輸出。其脈沖能量為 0.95mJ，脈沖寬度為 15ns，峰值功率大于 63kW。 美國亞利桑那大學(xué)在 2012 年，使用電光調(diào)制器直接調(diào)制連續(xù)單頻光纖激光 器，使用摻鉺光纖做預(yù)防大，單模偏振保偏高濃度摻雜的鉺鐿共摻大芯光纖做主放大級增益介質(zhì)。最終實(shí)現(xiàn)的脈沖參數(shù)為：1550nm、0.38mJ、3ns、128kW、10kHz。

實(shí)驗(yàn)室領(lǐng)域里，2012 年德國阿貝光子學(xué)中心得到的脈沖能量為目前最高水平。實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的兩級放大光纖采用大孔徑光子晶體光纖，且種子光源采用聲光調(diào) Q 結(jié)構(gòu)，其中的增益光纖也為大孔徑光子晶體光纖。實(shí)現(xiàn)了重復(fù)頻率 5kHz下，平均功率 140W，脈沖寬度 60ns，脈沖能量 26mJ 的脈沖輸出，其光束質(zhì)量優(yōu)于 1.3。

商業(yè)領(lǐng)域里，基于 MOPA 結(jié)構(gòu)的調(diào) Q 光纖放大系統(tǒng)的最高紀(jì)錄由美國 IPG公司保持。脈沖重復(fù)頻率 50kHz 時(shí)，平均功率為 500W，脈沖能量大于 10mJ，脈沖寬度為 100ns。

調(diào)Q光纖激光器調(diào) Q 光纖激光器的國內(nèi)發(fā)展現(xiàn)狀

國內(nèi)只有少數(shù)單位在這方面進(jìn)行研究，主要研究單位有：北京工業(yè)大學(xué)、天津大學(xué)、國防科技大學(xué)、浙江大學(xué)、清華大學(xué)、上光所等。其中以國防科技大學(xué)、天津大學(xué)、上光所的研究工作最為突出。

2009 年，浙江大學(xué)報(bào)道了基于 MOPA 結(jié)構(gòu)的全光纖線偏振單模摻鐿脈沖光纖激光器。以光纖型聲光調(diào) Q 激光器作為種子源，雙包層偏振保偏光纖為增益介質(zhì)，最終獲得的脈沖平均功率為30W，脈沖寬度為30ns，光束質(zhì)量2M 1.36。

2011 年，北京固體激光技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室實(shí)現(xiàn)了全光纖結(jié)構(gòu)的 MOPA 型摻鐿光纖激光器。系統(tǒng)中采用聲光調(diào) Q 方案搭建種子激光器，利用雙包層摻鐿光纖進(jìn)行兩級放大，最終獲得平均功率 102.5W、脈沖寬度 240ns 的脈沖輸出。

2012 年，國防科技大學(xué)利用聲光調(diào) Q 技術(shù)設(shè)計(jì)并搭建了聲光調(diào) Q 脈沖光纖激光器，輸出脈沖激光的脈沖寬度為 86ns，平均功率可達(dá) 84mW，單脈沖能量為 0.84mJ，峰值功率為 10kW。同年，利用上述聲光調(diào) Q 激光器作為種子源，進(jìn)一步搭建了主振蕩功率放大系統(tǒng)，最終獲得了平均功率 62W、脈沖能量 6.2mJ、脈寬 157ns、峰值功率 37.1kW 的光脈沖。其光-光轉(zhuǎn)換效率為 61.3%，2M ?3.1。

國防科技大學(xué)在高功率脈沖光纖激光器的實(shí)驗(yàn)研究方面一直處于國內(nèi)較高水平。2014 年，在主振蕩功率放大脈沖激光系統(tǒng)方面再創(chuàng)佳績。其種子源采用在 1064nm 連續(xù)光纖激光器外部進(jìn)行電光強(qiáng)度調(diào)制(EOIM)的方法，并采用大模場面積摻鐿光纖進(jìn)行兩級放大。實(shí)現(xiàn)脈沖寬度約 3ns，平均功率 913W，峰值功率為 28.6kW 的脈沖激光。首次實(shí)現(xiàn)了千瓦級窄線寬納秒脈沖光纖激光器。

2013 年，天津大學(xué)采用聲光調(diào) Q 結(jié)構(gòu)做種子源并結(jié)合 MOPA 結(jié)構(gòu)，所有增 益光纖都采用雙包層摻鐿光纖，最終實(shí)現(xiàn)平均功率大于 230W、峰值功率 1.64kW、脈沖寬度為 1.4us 的脈沖輸出,其光-光轉(zhuǎn)換效率為 72.81%，光束質(zhì)量2M 1.5。

綜上，多采用 MOPA 結(jié)構(gòu)的調(diào) Q 光纖激光器實(shí)現(xiàn)高功率納秒級脈沖輸出，輸出單脈沖能量較高、平均輸出功率較大。其作為種子源的調(diào) Q 光纖激光器多采用聲光調(diào) Q 技術(shù)。與其他調(diào) Q 技術(shù)相比，聲光調(diào) Q 技術(shù)最為穩(wěn)定。

激光器發(fā)明不久,人們就于1962年實(shí)現(xiàn)了調(diào)Q激光器。調(diào)Q激光器是實(shí)現(xiàn)高能量激光脈沖的有效手段,通過在激光器腔內(nèi)對腔損耗進(jìn)行調(diào)制,來調(diào)節(jié)激光器的Q值。在每個(gè)周期的大部分時(shí)間內(nèi)使腔維持在高損耗,在激光器工作物質(zhì)上下能級反轉(zhuǎn)粒子數(shù)累積到一定值時(shí),突然降低腔內(nèi)損耗,從而腔內(nèi)迅速建立激光振蕩,并輸出一高能量脈沖,直接輸出的脈沖能量達(dá)到mJ,脈寬在數(shù)納秒到百納秒之間。調(diào)Q光纖激光器根據(jù)調(diào)Q方式可以分為兩類,主動(dòng)式調(diào)Q和被動(dòng)式調(diào)Q。主動(dòng)調(diào)Q需要在腔內(nèi)使用電光開關(guān)或聲光開關(guān)來控制腔內(nèi)Q值。被動(dòng)調(diào)Q需要在腔內(nèi)插入可飽和吸收體,例如使用了Co:ZnS晶體或者Cr:YAG晶體等做可飽和吸收體,如圖1.n所示,但調(diào)Q用可飽和吸收體的激發(fā)態(tài)弛豫時(shí)間需要比腔內(nèi)脈沖往返一次的時(shí)間長,也可以使用未泵浦的摻稀土離子光纖或半導(dǎo)體可飽和吸收體。1986年,LP. Alcock首次報(bào)道了調(diào)Q光纖激光器,利用聲光調(diào)制器作為調(diào)Q元件,在摻Nd光纖激光器中實(shí)現(xiàn)了峰值功率8.8w的輸出。隨后R.J.Mear也報(bào)道了類似結(jié)構(gòu)的摻Er光纖調(diào)Q激光器,此后由于調(diào)Q光纖激光器兼具調(diào)Q激光器和光纖激光器的優(yōu)點(diǎn),在分布式傳感、激光測距、時(shí)域反射測量、生物醫(yī)療等領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用,所以引起了人們的廣泛興趣和深入研究。近年來,通過使用大模場增益光纖,脈沖能量可以達(dá)到數(shù)個(gè)mJ配合使用MoPA結(jié)構(gòu),脈沖能量則可以超過數(shù)十個(gè)mJ,峰值功率超過ZMW。此外,光纖中的受激布里淵散射效應(yīng)(sBS)被發(fā)現(xiàn)也可以作為等效可飽和吸收體實(shí)現(xiàn)被動(dòng)調(diào)Q,優(yōu)點(diǎn)是可以得到峰值功率更高的、持續(xù)時(shí)間更短的Q脈沖,并且結(jié)構(gòu)簡單,可實(shí)現(xiàn)全光纖結(jié)構(gòu),但目前待解決的問題是由于SBS的隨機(jī)性導(dǎo)致脈沖穩(wěn)定性不理想。