連續(xù)光纖激光器1光纖激光器的起源與發(fā)展

1960年美國休斯實驗室著名發(fā)明家梅曼(T.H.Maiman)和蘭姆(Lamb)等人成功的研制了發(fā)明了世界第一臺可操作的紅寶石激光器。1961年貝爾實驗室(Bell)賈文(A.Javan)等人制成了第一臺氦氛激光器。1962年霍耳(R.N.Hall)等人創(chuàng)制了GaAs半導(dǎo)體激光器后,半導(dǎo)體激光器已廣泛地應(yīng)用到通信、光盤存儲、檢測等領(lǐng)域中。而在1961年E.Snitzer首次通過試驗在摻稀土元素諧振腔(Fabry-Perot腔)中利用棒狀摻鎖](Nd3 )玻璃波導(dǎo)獲得了波長1.06nm的激光,即國際上報道公認的第一臺摻Nd3 光纖激光器。而1962年H.W.Etzel等人已經(jīng)制作出了第一臺以鐿離子(Yb3 )作為工作物質(zhì)的光纖激光器(YDFLfa],但是開始并沒有吸引人們太多的注意力。1964年C.J.Koester和E.Snitzer利用盤繞的線性燈管栗浦,在Im長的光纖中觀察到了激光脈沖被放大了 50000倍。光纖激光器不久以后便被應(yīng)用于光學(xué)信息處理方面的工作,但是由于當(dāng)時的光纖傳輸損耗太大(>1000dB/km)根本無法實現(xiàn)長距離傳輸和通信、作為粟浦源的半導(dǎo)體激光器無法在室溫下連續(xù)工作等條件限制,光纖激光器的研究相對緩慢,沒有實質(zhì)性的進展。

1966年享有“光纖之父”稱號的高錕(K.C. Kao)和霍克哈姆(GA. Hockham)首先從理論上分析證明了用光纖作為傳輸媒體以實現(xiàn)光通信的可能性,并預(yù)言了制造通信用的超低耗光纖的可能性,徹底改變了人類的通訊模式。1970年美國的馬瑞爾(R.D.Maurer)、卡普隆(F.RKapron)等科學(xué)家用改進型化學(xué)相沉積法(MCVD法)成功地制造出世界第一根傳輸損耗只有20dB/km(低損耗)的石英光纖,攻克了人類長久以來所面臨的光纖無法實現(xiàn)長距離傳輸?shù)募夹g(shù)難關(guān)。1974年,馬瑞爾進一步提出了雙包層光纖的概念。同年,美國貝爾(Bell)研究所采用最新發(fā)明技術(shù)-汽相沉積法(CVD法)制作出傳輸損耗降低只有l(wèi).ldB/km的低損耗光纖。而此時的J.Stone和C. A. Burrus則采用半導(dǎo)體注入型激光器終端栗浦方式成功地研制出能夠在室溫下連續(xù)工作的擦Nd3 光纖激光器,對以后的光纖激光器實用性研究具有重要意義。

1975年-1984年期間,光纖激光器的發(fā)展緩慢,但光纖激光器所必需的制作工藝關(guān)鍵技術(shù)卻日趨成熟,為研制全光纖激光器鋪平了道路。1985年,英國南安普頓大學(xué)(Southampton)的S.B.Poole等人采用MCVD方法首次把稀土輯離子摻入到單模桂光纖成功地制作了的低損耗單模摻鉺光纖,為光纖激光器帶來了新的前景。同時,RJ.Mears等人第一次報道了采用GaAlAs半導(dǎo)體激光器為栗浦源和低損耗光纖組成了 F-P腔和環(huán)形腔的慘Nd3 連續(xù)單模光纖激光器1987年,Southampton大學(xué)及Bell實驗室采用半導(dǎo)體激光作為泉浦源栗入摻輯(Er3 )單模光纖對光信號實現(xiàn)放大,從實驗上證明了慘輯光纖放大器(EDFA)的可行性,此后的EDFA已經(jīng)成為光纖通信中不可缺少的重要器件。Southampton大學(xué)J.E.Townsend與S.B.Poole科研組等人進一步完善了各種慘稀土離子光纖的制作工藝與此同時,英國通信研究實驗室(BTRL)首次向人們展示了基于定向稱合器的光纖激光器,并研制出以半導(dǎo)體激光器為菜浦源的光纖激光器。此后,世界許多研究機構(gòu),如德國漢堡技術(shù)大學(xué)美國斯坦福大學(xué)、Bell實驗室及日本NTT等也在光纖激光器與放大器領(lǐng)域做出了重要貢獻。

1988年,美國E.Snitzer等人首次利用雙包層光纖提出了包層栗浦技術(shù),發(fā)明了摻Nd3 雙包層光纖激光器,顯著提高了摻雜光纖的吸收效率,從理論上證明了摻Nd3 雙包層光纖的吸收效率可以達到>90%,大大改善了光纖激光器的功率與效率,改變了光纖激光器只能作為小功率光子器件的歷史,使得高功率光纖激光器和高功率光纖放大器的制作成為現(xiàn)實及首選途徑。摻Nd3 雙包層光纖激光器從此成為包層泉浦光纖激光器發(fā)展初期的研究熱點,同時掀開了研究光纖激光器的熱潮和迎來了高功率光纖激光器的迅速發(fā)展時期。1993年,H.PO等人研制出了高功率摻Nd3 雙包層光纖激光器,該光纖激光器輸出斜率效率51%,波長1064mn和功率接近5W的單模連續(xù)激光。1995年,德國H.Zellmer等人研制了輸出波長為1064nm功率9.2W摻Nd3 雙包層光纖激光器。

在連續(xù)光纖激光器方面，隨著光子晶體光纖技術(shù)的出現(xiàn)，使光纖技術(shù)具有了新的特性和優(yōu)勢，實現(xiàn)了可制備大模場面積的單模纖芯光纖、高的內(nèi)包層數(shù)值孔徑、無限單模等特性，從而使光纖激光器取得了飛快的進展。自從1999年光纖激光器的功率達到100 W以來，光纖激光器的輸出功率得到迅速提高，德國Jena大學(xué)、英國南安普敦大學(xué)、美國密西根大學(xué)等先后實現(xiàn)了高功率的激光輸出，到2004年，單模連續(xù)激光的輸出功率突破1 000 W 。2005年，德國Jena大學(xué)研究人員用摻鐿雙包層結(jié)構(gòu)的光子晶體光纖實現(xiàn)了1 530W的功率輸出，光光轉(zhuǎn)換效率達75%。

南安普頓大學(xué)在利用棒狀雙包層摻鐿光子晶體光纖，實現(xiàn)了功率320 W的連續(xù)激光輸出（斜率效率78%）。2009年底，南安普敦大學(xué)采用975 nm半導(dǎo)體激光器進行雙端泵浦，用波長1.1 μm高反射的二向色鏡和另一光纖端面的菲涅耳反射為諧振腔，增益雙包層摻鐿光纖參數(shù)為纖芯直徑50 μm，纖芯NA 為0.06，鐿離子摻雜濃度3 700 ppm，光纖在波長976 nm的吸收系數(shù)為1 dB/m，光纖長20 m，光纖被彎曲成25 cm 直徑的圓形。當(dāng)兩端的泵浦功率分別為2.2kW和1.2 W時，獲得了激光的波長為1 090 nm、功率2.1 kW的連續(xù)激光輸出，其光束質(zhì)量M2=1.2、斜率效率達74%。

2010年已經(jīng)能夠提供單纖單模輸出功率10 kW，多模輸出功率50 kW的產(chǎn)品，其中單模激光的電光轉(zhuǎn)換效率超過25%，光束質(zhì)量M2=1.3。在其他波長方面，利用鉺鐿共摻的光纖介質(zhì)，實現(xiàn)了數(shù)百瓦的激光輸出，利用摻銩的光纖介質(zhì)，獲得了1 000W的功率輸出。2011年，研制出激光輸出功率達50kW的多模光纖激光器。

與傳統(tǒng)的氣體激光器、固體激光器、半導(dǎo)體激光器和染料激光器相比,光纖激光器具有摻雜稀土離子能級豐富、摻雜稀土離子能級寬、摻雜稀土離子種類多樣化、光纖制造成本低、光纖結(jié)構(gòu)小巧便于操作、光纖幾何形狀的表面積/體積比大、稱合效率較高、易于與光纖傳輸系統(tǒng)連接、光纖焚光譜范圍寬(455-3500nm)、入射栗浦光相位匹配無嚴格要求、散熱快、損耗低、轉(zhuǎn)換效率較高、栗浦閩值功率低、激光亮度高和激光功率峰值高、輸出光束質(zhì)量好、單色性好、方向性穩(wěn)定、波長可調(diào)諧、容易實現(xiàn)單模、單頻運轉(zhuǎn)及超短脈沖等優(yōu)勢。

連續(xù)光纖激光器窄線寬光纖激光器

窄線寬光纖激光器在光纖傳感和光通信中有著重要的應(yīng)用。例如，相位敏感型光時域反射計，光學(xué)陀螺，相干光通信等。這些系統(tǒng)基于光的干涉特性，因此對激光器的線寬要求很高，通常是幾十赫茲甚至更低。實現(xiàn)窄線寬光纖激光器的方法多種多樣。下面簡要介紹兩種常用的方法。一種是利用超短腔實現(xiàn)單縱模光纖激光器。鉺纖的增益帶寬有限，當(dāng)激光器的縱模間隔大于或者接近鉺纖的增益帶寬時，激光器只能實現(xiàn)單縱模運轉(zhuǎn)，對應(yīng)的就是窄線寬光纖激光器。另一種方法是基于光纖中的非線性效應(yīng)，例如布里淵光纖激光器。布里淵窄線寬光纖激光器，由于腔長很短，所以激光腔內(nèi)只有兩個縱?？梢詫崿F(xiàn)振蕩，進而實現(xiàn)窄線寬輸出。

連續(xù)光纖激光器多波長光纖激光器

多波長光纖激光器是指可以產(chǎn)生多個波長的光纖激光器。多波長光纖激光器的應(yīng)用也很廣泛，例如密集波分波分復(fù)用系統(tǒng)（DWDM）。DWDM 的核心器件是多波長光源，以前是使用不同波長的激光器來實現(xiàn)，這樣的系統(tǒng)不僅結(jié)構(gòu)復(fù)雜，成本也很高。多波長光纖激光器可以大大地簡化系統(tǒng)，因為同一臺激光器就可以產(chǎn)生多個波長信號。鉺纖是均勻加寬介質(zhì)，因此摻鉺光纖激光器一般只可以產(chǎn)生一種波長。實現(xiàn)多波長輸出的關(guān)鍵是通過某些措施使得激光器內(nèi)的增益是非均勻加寬的。這些措施包括液氮冷卻，非線性光纖環(huán)形鏡等。

常見的多波長光纖激光器光路，采用非線性偏振旋轉(zhuǎn)技術(shù)來產(chǎn)生激光器內(nèi)的非均勻加寬機制。再通過雙折射光纖構(gòu)成的濾波器來實現(xiàn)多波長輸出。 產(chǎn)生了梳狀結(jié)構(gòu)，且波長的間隔可以通過調(diào)節(jié)濾波器的帶寬進行調(diào)節(jié)。通過改變腔內(nèi)保偏光纖的長度可以調(diào)節(jié)濾波器的帶寬。

光纖激光器以光纖為增益介質(zhì)，輸出激光的光束質(zhì)量主要由光纖的纖芯直徑和數(shù)值孔徑?jīng)Q定，由于光纖極大的表面積與體積比值，因此很容易對其在高功率輸出時的熱效應(yīng)進行有效地管理。同時，正由于光纖激光器中光纖極大的表面積與體積比值，散熱性能也非常好，因此幾乎不存在熱透鏡效應(yīng)。因此，與傳統(tǒng)的固體激光器相比，光纖激光器在高功率輸出時可達到接近衍射極限的高光束質(zhì)量。在電光轉(zhuǎn)換效率方面，光纖激光器的電光轉(zhuǎn)換效率可以高達28%，遠高于半導(dǎo)體泵浦的YAG激光器15%的電光轉(zhuǎn)換效率及CO2激光器10%的電光轉(zhuǎn)換效率，也高于碟片機用激光器的20%的電光轉(zhuǎn)換效率。光纖激光器的器件結(jié)構(gòu)簡單，體積小巧，使用靈活方便。雙包層光纖激光器由于采用柔軟的摻雜光纖本身作為激光介質(zhì)，泵浦源也是采用體積小巧易于模塊化的高功率半導(dǎo)體激光器，因此穩(wěn)定性好，體積小，使用靈活方便。

光纖激光器還具有波長可調(diào)諧、高可靠性、免于維護、尾纖輸出和使用壽命長等優(yōu)點，是一種新型的優(yōu)質(zhì)激光光源，已引起人們的廣泛關(guān)注[3]，已經(jīng)形成的光纖激光器產(chǎn)品類型包括：連續(xù)激光、脈沖激光、單偏振激光、單頻激光、超短脈沖激光和白光超連續(xù)光源等。其應(yīng)用覆蓋材料處理、醫(yī)療、印刷、雷達、通信、激光切割、精密加工、印刷制輥、金屬非金屬鉆孔/切割/焊接、工業(yè)造船、大型基礎(chǔ)建設(shè)、航空航天、軍事國防安全等多個領(lǐng)域，市場需求也越來越大。據(jù)統(tǒng)計，2010年光纖激光器已約占據(jù)整個激光器市場的25%，年銷售額近7億美元。如此龐大的市場需求，光纖激光器的研究已成激光器領(lǐng)域的研究熱點。 解讀詞條背后的知識

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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，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(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(diào)Q光纖激光器光通信領(lǐng)域

20 世紀 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(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。