光纖調偉簡介

可根據(jù)不同燃燒時火焰光源分布情況，以光纖作為信號的傳輸與傳感媒體，對爐膛內進行實時監(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)的火檢設備廠商在中國地區(qū)的代理及合作伙伴提供優(yōu)質產品。

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

調Q光纖激光器工業(yè)領域

工業(yè)加工領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頻率、高峰值功率的脈沖，與連續(xù)光纖激光器相比，調 Q 脈沖光纖激光器具有許多獨特的優(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生；2、峰值功率高，脈寬小，可以提高加工精度和加工質量，實現(xiàn)微細加工；3、使金屬深度加工成為可能，且可以實現(xiàn)可視性較好的打標等。

調Q光纖激光器光通信領域

20 世紀 60 年代，隨著微波技術的成熟，具有更高頻率的光波通信技術的發(fā)展成為必然。光波分復用(OWDM)、光時分復用(OTDM)等技術的出現(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用化使密集波分復用(DWDM)成為了可能，大大增加了傳輸容量，實現(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，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特的優(yōu)點：

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 20THz，而在一根光纜中可以容納成百上千的光纖，再加上波分復用(WDM)、頻分復用(FDM)等技術，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構參數(shù)有關，還與傳輸信號的頻率有關；而光纜的損耗特性僅與本身介質參數(shù)有關。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，也可以實現(xiàn)正常的信號傳輸。

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

5、通信質量高，保密性好。

6、節(jié)約有色金屬。

20 世紀 80 年代中期，隨著稀土摻雜光纖的出現(xiàn)，最初的調 Q 技術是在晶體和玻璃光纖激光器中實現(xiàn)的。如最初研究的調 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，光纖激光器結構變得越來越緊湊，同時實現(xiàn)了全光纖化調 Q 光纖激光器。

調Q光纖激光器調 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、德國阿貝光子學中心(耶拿大學)、美國 NP 光電有限公司、美國亞利桑那大學、土耳其比爾肯大學、俄羅斯科學院物理研究所、西班牙巴倫西亞大學、馬來西亞大學、印度理工大學、韓國首爾大學、挪威科技大學、加拿大瑞爾森大學等。其中，英國 SPI、德國 IPHT、美國密歇根大學和 IPG 公司的研究水平最突出。

由于各種不同增益光纖和腔結構的采用，很多文獻中報道了不同的實驗現(xiàn)象，并提出了相應的解釋。1986 年，Mears 等人發(fā)表了關于摻鉺光纖激光器的調Q 實驗，獲得的脈沖波長為 1550nm，脈沖寬度為 30ns，在 800Hz 重復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 250mW 波長為 514nm 的泵浦源，以及一個聲光調制器構成了一個線形腔結構的調 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 Q 脈沖。

2012 年，墨西哥 A.Gonzalez-Garcia 等人搭建了 Er/Yb 共摻聲光調 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，重復頻率 45kHz-120kHz 范圍內可調，最小脈沖寬度為 34ns，平均功率為 4W，光-光轉換效率為 50%。

2013 年，英國阿斯頓大學 D.saez-Rodriguez 等人在摻鉺光纖激光器中插入腔內損耗調制器，通過控制在包層模中傳輸功率的動態(tài)衰減產生脈沖。該動態(tài)衰減通過一個壓電式傳感器的側向壓力產生。最后在 0-2kHz 重頻內，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 Q 技術無法獲得更高功率、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結構中種子源性能的好壞決定了最終輸出的脈沖光束質量的優(yōu)劣，所以它的優(yōu)點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現(xiàn)高品質的脈沖激光輸出，并通過不同纖芯尺寸的增益光纖進行多級放大，實現(xiàn)高功率輸出的同時解決了光纖中的熱損傷和非線性效應問題。

2012 年，土耳其 I.Pavlov 等人報道了一個全光纖單模 1550nmMOPA 系統(tǒng)。系統(tǒng)中種子源采用全光纖調 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 結構的摻銩調 Q 脈沖光纖激光器系統(tǒng)。其摻銩調 Q 種子源激光器中采用壓電換能器(PZT)為調 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。 美國亞利桑那大學在 2012 年，使用電光調制器直接調制連續(xù)單頻光纖激光 器，使用摻鉺光纖做預防大，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。最終實現(xiàn)的脈沖參數(shù)為：1550nm、0.38mJ、3ns、128kW、10kHz。

實驗室領域里，2012 年德國阿貝光子學中心得到的脈沖能量為目前最高水平。實驗系統(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 Q 結構，其中的增益光纖也為大孔徑光子晶體光纖。實現(xiàn)了重復頻率 5kHz下，平均功率 140W，脈沖寬度 60ns，脈沖能量 26mJ 的脈沖輸出，其光束質量優(yōu)于 1.3。

商業(yè)領域里，基于 MOPA 結構的調 Q 光纖放大系統(tǒng)的最高紀錄由美國 IPG公司保持。脈沖重復頻率 50kHz 時，平均功率為 500W，脈沖能量大于 10mJ，脈沖寬度為 100ns。

調Q光纖激光器調 Q 光纖激光器的國內發(fā)展現(xiàn)狀

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

2009 年，浙江大學報道了基于 MOPA 結構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 Q 激光器作為種子源，雙包層偏振保偏光纖為增益介質，最終獲得的脈沖平均功率為30W，脈沖寬度為30ns，光束質量2M 1.36。

2011 年，北京固體激光技術重點實驗室實現(xiàn)了全光纖結構的 MOPA 型摻鐿光纖激光器。系統(tǒng)中采用聲光調 Q 方案搭建種子激光器，利用雙包層摻鐿光纖進行兩級放大，最終獲得平均功率 102.5W、脈沖寬度 240ns 的脈沖輸出。

2012 年，國防科技大學利用聲光調 Q 技術設計并搭建了聲光調 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 84mW，單脈沖能量為 0.84mJ，峰值功率為 10kW。同年，利用上述聲光調 Q 激光器作為種子源，進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-光轉換效率為 61.3%，2M ?3.1。

國防科技大學在高功率脈沖光纖激光器的實驗研究方面一直處于國內較高水平。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)光纖激光器外部進行電光強度調制(EOIM)的方法，并采用大模場面積摻鐿光纖進行兩級放大。實現(xiàn)脈沖寬度約 3ns，平均功率 913W，峰值功率為 28.6kW 的脈沖激光。首次實現(xiàn)了千瓦級窄線寬納秒脈沖光纖激光器。

2013 年，天津大學采用聲光調 Q 結構做種子源并結合 MOPA 結構，所有增 益光纖都采用雙包層摻鐿光纖，最終實現(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-光轉換效率為 72.81%，光束質量2M 1.5。

綜上，多采用 MOPA 結構的調 Q 光纖激光器實現(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 Q 光纖激光器多采用聲光調 Q 技術。與其他調 Q 技術相比，聲光調 Q 技術最為穩(wěn)定。

激光器發(fā)明不久,人們就于1962年實現(xiàn)了調Q激光器。調Q激光器是實現(xiàn)高能量激光脈沖的有效手段,通過在激光器腔內對腔損耗進行調制,來調節(jié)激光器的Q值。在每個周期的大部分時間內使腔維持在高損耗,在激光器工作物質上下能級反轉粒子數(shù)累積到一定值時,突然降低腔內損耗,從而腔內迅速建立激光振蕩,并輸出一高能量脈沖,直接輸出的脈沖能量達到mJ,脈寬在數(shù)納秒到百納秒之間。調Q光纖激光器根據(jù)調Q方式可以分為兩類,主動式調Q和被動式調Q。主動調Q需要在腔內使用電光開關或聲光開關來控制腔內Q值。被動調Q需要在腔內插入可飽和吸收體,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Q用可飽和吸收體的激發(fā)態(tài)弛豫時間需要比腔內脈沖往返一次的時間長,也可以使用未泵浦的摻稀土離子光纖或半導體可飽和吸收體。1986年,LP. Alcock首次報道了調Q光纖激光器,利用聲光調制器作為調Q元件,在摻Nd光纖激光器中實現(xiàn)了峰值功率8.8w的輸出。隨后R.J.Mear也報道了類似結構的摻Er光纖調Q激光器,此后由于調Q光纖激光器兼具調Q激光器和光纖激光器的優(yōu)點,在分布式傳感、激光測距、時域反射測量、生物醫(yī)療等領域有著廣泛的應用,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,脈沖能量可以達到數(shù)個mJ配合使用MoPA結構,脈沖能量則可以超過數(shù)十個mJ,峰值功率超過ZMW。此外,光纖中的受激布里淵散射效應(sBS)被發(fā)現(xiàn)也可以作為等效可飽和吸收體實現(xiàn)被動調Q,優(yōu)點是可以得到峰值功率更高的、持續(xù)時間更短的Q脈沖,并且結構簡單,可實現(xiàn)全光纖結構,但目前待解決的問題是由于SBS的隨機性導致脈沖穩(wěn)定性不理想。