1概述

光纖激光器應用范圍非常廣泛，包括激光光纖通訊、激光空間遠距通訊、工業造船、汽車制造、激光雕刻激光打標激光切割、印刷制輥、金屬非金屬鉆孔/切割/焊接（銅焊、淬水、包層以及深度焊接）、軍事國防安全、醫療器械儀器設備、大型基礎建設，作為其他激光器的泵浦源等等。

2工作原理

光纖是以SiO2為基質材料拉成的玻璃實體纖維，其導光原理是利用光的全反射原理，即當光以大于臨界角的角度由折射率大的光密介質入射到折射率小的光疏介質時，將發生全反射，入射光全部反射到折射率大的光密介質，折射率小的光疏介質內將沒有光透過。普通裸光纖一般由中心高折射率玻璃芯、中間低折射率硅玻璃包層和最外部的加強樹脂涂層組成。光纖按傳播光波模式可分為單模光纖和多模光纖。單模光纖的芯徑較小，只能傳播一種模式的光，其模間色散較小。多模光纖的芯徑較粗，可傳播多種模式的光，但其模間色散較大。按折射率分布的情況化分，可分為階躍折射率（SI）光纖和漸變折射率（GI）光纖。

以稀土摻雜光纖激光器為例，摻有稀土離子的光纖芯作為增益介質，摻雜光纖固定在兩個反射鏡間構成諧振腔，泵浦光入射到光纖中，當泵浦光通過光纖時，光纖中的稀土離子吸收泵浦光，其電子被激勵到較高的激發能級上，實現了離子數反轉。反轉后的粒子以輻射形成從高能級轉移到基態，輸出激光。圖1的反射鏡諧振腔主要用以說明光纖激光器的原理。實際的光纖激光器可采用多種全光纖諧振腔。

為采用2×2光纖耦合器構成的光纖環路反射器及由此種反射器構成的全光纖激光器，（a）表示將光纖耦合器兩輸出端口聯結成環，（b）表示與此光纖環等效的用分立光學元件構成的光學系統，（c）表示兩只光纖環反射器串接一段摻稀土離子光纖，構成全光纖型激光器。以摻Nd3+石英光纖激光器為例，應用806nm波長的AlGaAs（鋁鎵砷）半導體激光器為泵浦源，光纖激光器的激光發射波長為1064nm，泵浦閥值約470μW。

利用2×2光纖耦合器可以構成光纖環形激光器。如圖3（a）所示，將光纖耦合器輸入端2聯結一段稀土摻雜光纖，再將摻雜光纖聯結耦合器輸出端4而成環。泵浦光由耦合器端1注入，經耦合器進入光纖環而泵浦其中的稀土離子，激光在光纖環中形成并由耦合器端口3輸出。這是一種行波型激光器，光纖耦合器的耦合比越小，表示儲存在光纖環內的能量越大，激光器的閾值也越低。典型的摻Nd3+光纖環形激光器，耦合比≤10%，利用染料激光器595nm波長的輸出進行泵浦，產生1 078mn的激光，閾值為幾個毫瓦。上述光纖環形激光腔的等效分立光學元件的光路安排如圖3（b）所示。

利用光纖中稀土離子熒光譜帶寬的特點，在上述各種激光腔內加入波長選擇性光學元件，如光柵等，可構成可調諧光纖激光器，典型的摻Er3+光纖激光器在1 536和1 550nm處可調諧14nm和llnm。

采用特別的光纖激光腔設計，可實現單縱模運轉，激光線寬可小至數十兆赫，甚至達10kHz的量級。光纖激光器在腔內加入聲光調制器，可實現調Q或鎖模運轉。調Q摻Er3+石英光纖激光器，脈沖寬度32ns，重復頻率800Hz，峰值功率可達120W。鎖模實驗，得到光脈沖寬度2.8ps和重復頻率810MHz的結果，可望用作孤子激光源。

稀土摻雜石英光纖激光器以成熟的石英光纖工藝為基礎，因而損耗低和精確的參數控制均得到保證。適當加以選擇可使光纖在泵浦波長和激射波長均工作于單模狀態，可達到高的泵浦效率，光纖的表面積與體積之比很大，散熱效果很好，因此，光纖激光器一般僅需低功率的泵浦即可實現連續波運轉。光纖激光器易于與各種光纖系統的普通光纖實現高效率的接續，且柔軟、細小，因此不但在光纖通信和傳感方面，而且在醫療、計測以及儀器制造等方面都有極大的應用價值。

3類型

按照光纖材料的種類，光纖激光器可分為：

1、晶體光纖激光器。工作物質是激光晶體光纖，主要有紅寶石單晶光纖激光器和nd3+：YAG單晶光纖激光器等。

2、非線性光學型光纖激光器。主要有受激喇曼散射光纖激光器和受激布里淵散射光纖激光器。

3、稀土類摻雜光纖激光器。光纖的基質材料是玻璃，向光纖中摻雜稀土類元素離子使之激活，而制成光纖激光器。

4、塑料光纖激光器。向塑料光纖芯部或包層內摻入激光染料而制成光纖激光器。

按增益介質分類為：

a)晶體光纖激光器。工作物質是激光晶體光纖，主要有紅寶石單晶光纖激光器和Nd3+:YAG單晶光纖激光器等。

b)非線性光學型光纖激光器。主要有受激喇曼散射光纖激光器和受激布里淵散射光纖激光器。

c)稀土類摻雜光纖激光器。向光纖中摻雜稀土類元素離子使之激活，(Nd3+、Er3+、Yb3+、Tm3+等，基質可以是石英玻璃、氟化鋯玻璃、單晶)而制成光纖激光器。

d)塑料光纖激光器。向塑料光纖芯部或包層內摻入激光染料而制成光纖激光器。

(2)按諧振腔結構分類為F-P腔、環形腔、環路反射器光纖諧振腔以及“8”字形腔、DBR光纖激光器、DFB光纖激光器等。

(3)按光纖結構分類為單包層光纖激光器、雙包層光纖激光器、光子晶體光纖激光器、特種光纖激光器。

(4)按輸出激光特性分類為連續光纖激光器和脈沖光纖激光器，其中脈沖光纖激光器根據其脈沖形成原理又可分為調Q光纖激光器(脈沖寬度為ns量級)和鎖模光纖激光器(脈沖寬度為ps或fs量級)。

(5)根據激光輸出波長數目可分為單波長光纖激光器和多波長光纖激光器。

(6)根據激光輸出波長的可調諧特性分為可調諧單波長激光器，可調諧多波長激光器。

(7)按激光輸出波長的波段分類為S-波段(1460~1530 nm)、C-波段(1530~1565 nm)、L-波段(1565~1610 nm)。

(8)按照是否鎖模，可以分為：連續光激光器和鎖模激光器。通常的多波長激光器屬于連續光激光器。

按照鎖模器件而言，可以分為被動鎖模激光器和主動鎖模激光器。

其中被動鎖模激光器又有:

等效/假飽和吸收體：非線性旋轉鎖模激光器(8字型，NOLM和NPR)

真飽和吸收體： SESAM或者納米材料(碳納米管，石墨烯，拓撲絕緣體等)。

4優勢

光纖激光器作為第三代激光技術的代表，具有以下優勢：

（1）玻璃光纖制造成本低、技術成熟及其光纖的可饒性所帶來的小型化、集約化優勢；

（2）玻璃光纖對入射泵浦光不需要像晶體那樣的嚴格的相位匹配，這是由于玻璃基質Stark 分裂引起的非均勻展寬造成吸收帶較寬的緣故；

（3）玻璃材料具有極低的體積面積比，散熱快、損耗低，所以轉換效率較高，激光閾值低；

（4）輸出激光波長多：這是因為稀土離子能級非常豐富及其稀土離子種類之多；

（5）可調諧性：由于稀土離子能級寬和玻璃光纖的熒光譜較寬。

（6）由于光纖激光器的諧振腔內無光學鏡片，具有免調節、免維護、高穩定性的優點，這是傳統激光器無法比擬的。

（7）光纖導出，使得激光器能輕易勝任各種多維任意空間加工應用，使機械系統的設計變得非常簡單。

（8）勝任惡劣的工作環境，對灰塵、震蕩、沖擊、濕度、溫度具有很高的容忍度。

（9）不需熱電制冷和水冷，只需簡單的風冷。

（10）高的電光效率：綜合電光效率高達20%以上，大幅度節約工作時的耗電，節約運行成本。

（11）高功率,商用化的光纖激光器是六千瓦。

5劣勢

由于光纖纖芯很小。相比于固體激光器，其單脈沖能量很小。

6技術

高功率的光纖激光器及其包層泵浦技術

雙包層光纖的出現無疑是光纖領域的一大突破，它使得高功率的光纖激光器和高功率的光放大器的制作成為現實。自1988年E Snitzer首次描述包層泵浦光纖激光器以來，包層泵浦技術已被廣泛地應用到光纖激光器和光纖放大器等領域，成為制作高功率光纖激光器首選途徑。

包層泵浦技術，由四個層次組成:①光纖芯;②內包層;③外包層;④保護層。將泵光耦合到內包層（內包層一般采用異形結構，有橢圓形、方形、梅花形、D形及其六邊形等等）,光在內包層和外包層（一般設計為圓形） 之間來回反射,多次穿過單模纖芯被其吸收。這種結構的光纖不要求泵光是單模激光,而且可對光纖的全長度泵浦,因此可選用大功率的多模激光二極管陣列作泵源,將約70%以上的泵浦能量間接地耦合到纖芯內,大大提高了泵浦效率。

包層泵浦技術特性決定了該類激光器有以下幾方面的突出性能。

1、高功率

一個多模泵浦二極管模塊組可輻射出100瓦的光功率，多個多模泵浦二極管并行設置，即可允許設計出很高功率輸出的光纖激光器。

2、無需熱電冷卻器

這種大功率的寬面多模二極管可在很高的溫度下工作，只須簡單的風冷，成本低。

3、很寬的泵浦波長范圍

高功率的光纖激光器內的活性包層光纖摻雜了鉺/鐿稀土元素，有一個寬且又平坦的光波吸收區(930-970nm),因此，泵浦二極管不需任何類型的波長穩定裝置

4、效率高

泵浦光多次橫穿過單模光纖纖芯，因此其利用率高。

5、高可靠性

多模泵浦二極管比起單模泵浦二極管來其穩定性要高出很多。其幾何上的寬面就使得激光器的斷面上的光功率密度很低且通過活性面的電流密度亦很低。這樣一來，泵浦二極管其可靠運轉壽命超過100萬小時。

實現包層泵浦光纖激光器的技術概括起來可分為線形腔單端泵浦、線形腔雙端泵浦、全光纖環形腔雙包層光纖激光器三大類，不同特色的雙包層光纖激光器可由該三種基本類型拓展得到。

OFC－2002的一篇文獻采用的結構，實現了輸出功率為3.8W、閾值為1.7W，傾斜效率高達85%的新型包層泵浦光纖激光器[1]。在產品技術方面，美國IPG公司異軍突起，已開發出700W的摻鐿雙包層光纖激光器，并宣稱將推出2000W的光纖激光器。

7應用

7.1 標刻應用

脈沖光纖激光器以其優良的光束質量，可靠性，最長的免維護時間，最高的整體電光轉換效率，脈沖重復頻率，最小的體積，無須水冷的最簡單、最靈活的使用方式，最低的運行費用使其成為在高速、高精度激光標刻方面的唯一選擇。

一套光纖激光打標系統可以由一個或兩個功率為25W的光纖激光器，一個或兩個用來導光到工件上的掃描頭以及一臺控制掃描頭的工業電腦組成。這種設計比用一個50W激光器分束到兩個掃描頭上的方式高出達4倍以上的效率。該系統最大打標范圍是175mm*295mm，光斑大小是35um，在全標刻范圍內絕對定位精度是+/-100um。100um工作距離時的聚焦光斑可小到15um。

7.2 材料處理的應用

光纖激光器的材料處理是基于材料吸收激光能量的部位被加熱的熱處理過程。1um左右波長的激光光能很容易被金屬、塑料及陶瓷材料吸收。

7.3 材料彎曲的應用

光纖激光成型或折曲是一種用于改變金屬板或硬陶瓷曲率的技術。集中加熱和快速自冷切導致在激光加熱區域的可塑性變形，永久性改變目標工件的曲率。研究發現用激光處理的微彎曲遠比其他方式具有更高的精密度，同時，這在微電子制造是一個很理想的方法。

7.4 激光切割的應用

隨著光纖激光器的功率不斷攀升，光纖激光器在工業切割方面得以被規模化應用。比如：用快速斬波的連續光纖激光器微切割不銹鋼動脈管。由于它的高光束質量，光纖激光器可以獲得非常小的聚焦直徑和由此帶來的小切縫寬度正在刷新醫療器件工業的標準。

由于其波段涵蓋了1.3μm和1.5μm兩個主要通信窗口，因此光纖激光器在光通信領域擁有不可替代的地位，大功率雙包層光纖激光器的研制成功使其在激光加工領域的市場需求也呈迅速擴展的趨勢。光纖激光器在激光加工領域的范圍和所需性能具體如下：軟焊和燒結：50－500W；聚合物和復合材料切割：200W－1kW；去激活：300W－1kW；快速印刷和打印：20W－1kW；金屬淬火和涂敷：2－20kW；玻璃和硅切割：500 W－2kW。此外，隨著紫外光纖光柵寫入和包層泵浦技術的發展，輸出波段在紫光、藍光、綠光、紅光及近紅外光的波長上轉換光纖激光器已可以作為實用的全固化光源而廣泛應用于數據存儲，彩色顯示，醫學熒光診斷。遠紅外波長輸出的光纖激光器由于其結構靈巧緊湊，能量和波長可調諧等優點，也在激光醫療和生物工程等領域得到應用。

8發展史

早期對激光器的研制主要集中在研究短脈沖的輸出和可調諧波長范圍的擴展方面。今天，密集波分復用(DWDM)和光時分復用技術的飛速發展及日益進步加速和刺激著多波長光纖激光器技術、超連續光纖激光器等的進步。同時，多波長光纖激光器和超連續光纖激光器的出現，則為低成本地實現Tb/s的DWDM或OTDM傳輸提供理想的解決方案。就其實現的技術途徑來看，采用EDFA放大的自發輻射、飛秒脈沖技術、超發光三極管等技術均見報道。

國內外對于光纖激光器的研究方向和熱點主要集中在高功率光纖激光器、高功率光子晶體光纖激光器、窄線寬可調諧光纖激光器、多波長光纖激光器、非線性效應光纖激光器和超短脈沖光纖激光器等幾個方面。

1962年世界上第一個GaAs半導體激光器問世以來，已有五十余年的歷史，半導體激光器已廣泛地應用于激光通信、光盤存儲、激光檢測等領域。

隨著半導體激光器連續輸出功率的日益提高，其應用范圍也不斷擴大，其中大功率半導體激光器泵浦的固體激光器（DPSSL）是它最大的應用領域之一。這一技術綜合了半導體激光器與固體激光器的優點，不僅將半導體激光器的波長轉換為固體激光器的波長，而且伴隨光束質量的改善和光譜線寬的壓縮，以及實現脈沖輸出等。半導體激光器體積小、重量輕，直接電子注入具有很高的量子效率，可以通過調整組份和控制溫度得到不同的波長與固體激光材料的吸收波長相匹配，但它本身的光束質量較差，且兩個方向不對稱，橫模特性也不盡理想。而固體激光器的輸出光束質量較高，有很高的時間和空間相干性，光譜線寬與光束發散角比半導體激光小幾個量級。對于DPSSL，是吸收波長短的高能量光子，轉化為波長較長的低能量光子，這樣總有一部分能量以無輻射躍遷的方式轉換為熱。這部分熱能量將如何從塊狀激光介質中散發、排除成為半導體泵浦固體激光器的關鍵技術。為此，人們開始探索增大散熱面積的方法。

方法之一就是將激光介質做成細長的光纖形狀。

所謂光纖激光器就是用光纖作激光介質的激光器，1964年世界上第一代玻璃激光器就是光纖激光器。由于光纖的纖芯很細，一般的泵浦源（例如氣體放電燈）很難聚焦到芯部。所以在以后的二十余年中光纖激光器沒有得到很好的發展。隨著半導體激光器泵浦技術的發展，以及光纖通信蓬勃發展的需要，1987年英國南安普頓大學及美國貝爾實驗室實驗證明了摻鉺光纖放大器（EDFA）的可行性。它采用半導體激光光泵摻鉺單模光纖對光信號實現放大，這種EDFA已經成為光纖通信中不可缺少的重要器件。由于要將半導體激光泵浦入單模光纖的纖芯（一般直徑小于10um），要求半導體激光也必須為單模的，這使得單模EDFA難以實現高功率，報道的最高功率也就幾百毫瓦。

為了提高功率，1988年左右有人提出光泵由包層進入。初期的設計是圓形的內包層，但由于圓形內包層完美的對稱性，使得泵浦吸收效率不高，直到九十年代初矩形內包層的出現，使激光轉換效率提高到50%，輸出功率達到5瓦。1999年用四個45瓦的半導體激光器從兩端泵浦，獲得了110瓦的單模連續激光輸出。近兩年，隨著高功率半導體激光器泵浦技術和雙包層光纖制作工藝的發展，光纖激光器的輸出功率逐步提高，采用單根光纖，已經實現了1000瓦的激光輸出。

隨著光纖通信系統的廣泛應用和發展，超快速光電子學、非線性光學、光傳感等各種領域應用的研究已得到日益重視。其中，以光纖作基質的光纖激光器，在降低閾值、振蕩波長范圍、波長可調諧性能等方面，已明顯取得進步，是光通信領域的新興技術，它可以用于現有的通信系統，使之支 持更高的傳輸速度，是未來高碼率密集波分復用系統和未來相干光通信的基礎。光纖激光器技術是研究的熱點技術之一。

光纖激光器由于其具有絕對理想的光束質量、超高的轉換效率、完全免維護、高穩定性以及體積小等優點，對傳統的激光行業產生巨大而積極的影響。最新市場調查顯示：光纖激光器供應商將爭奪固體激光器及其他激光器在若干關鍵應用領域的市場份額，而這些市場份額在未來幾年將穩步看漲。到2010年，光纖激光器將至少占領工業激光器28億美元市場份額的四分之一。光纖激光器的銷售量將以年增幅愈35%的速度攀升，從2005年的1.4億美元增至2010年的6.8億美元。而同期，工業激光器市場每年增幅僅9%，2010年達到28億美元。

9進展

2002年南開大學報道了在摻Yb3 + 雙包層光纖器中得到了脈寬4. 8ns 的自調Q 脈沖輸出和混合調Q 雙包層光纖激光中得到峰值功率大于8kW ,脈寬小于2ns 的脈沖輸出。

2003年南開大學報道了利用脈沖泵浦獲得100kW 峰值功率的調Q 脈沖,以及得到的6, 0, nm 可調諧的調Q 脈沖。

2003年11月20日報道，上海科學家在激光領域取得新成果，成功開發出輸出功率高達107W的光纖激光器。此激光器的全稱為“高功率摻鐿雙包層光纖激光器”，與已有的激光器相比它的維護費用和功率消耗都要低得多，壽命是普通激光器的幾十倍。該課題組的負責人之一樓祺洪研究員告訴記者，激光打印有著廣泛的應用前景，與市民生活直接相關的如食品的生產日期、防偽標志等，若以激光打印代替油墨打印清晰度高、永不褪色、難以仿冒、利于環保，具有國際流行的新趨勢。上海科學家研制的光纖激光器使光纖激光輸出功率又上升了一個新臺階，最大輸出功率達107W，已經遙遙領先于全國同行。

2004年，南開大學又報道了連續泵浦206kW峰值功率的調Q 脈沖。

2004年12月3日，烽火通信繼推出激光輸出功率達100W以上的雙包層摻鐿光纖后，經過艱苦的攻關再創佳績，將該類新型光纖的輸出功率成功提高至440W，達到國際領先水平。

2012年，國內首臺擁有自主知識產權的1000W工業級光纖激光器在西安誕生。這一科研成果的產業化，不僅將滿足我國工業加工領域對高功率光纖激光器的市場需求，同時也將打破國外高功率光纖激光器的市場壟斷局面，推動我國光纖激光加工產業進一步發展。

2012年11月，華工科技旗下華工激光與銳科公司共同研制的4千瓦光纖激光器，通過了省級科技成果鑒定。鑒定專家組主任委員、中國光學學會理事長周炳琨院士指出，這項技術填補了國內空白，達到國際先進水平，獲得4項國家發明專利。[5]

光纖激光器作為第三代激光技術的代表，具有其他激光器無可比擬的技術優越性。不過，我們認為，在短期內，光纖激光器將主要聚焦在高端用途上隨光纖激光器的普及，成本的降低以及產能的提高，最終將可能會替代掉全球大部分高功率CO2激光器和絕大部分YAG激光器。

10切割機

隨著光纖制造工藝與半導體激光器生產技術的日趨成熟，以光纖為基質的光纖激光器，在降低閾值、振蕩波長范圍、波長可調諧性能等方面取得明顯進步，成為激光領域的新興技術，也是眾多熱門研究課題之一，光纖激光器采用摻稀土元素光纖作為增益介質，泵浦光在纖芯內形成高功率密度，造成摻雜離子能級的“粒子數反轉”，當適當加入正反饋回路（構成諧振腔）時，便產生激光輸出。光纖激光器的應用范圍非常廣泛，包括光纖通信、激光空間遠距詢信、造船、汽車制造、激光雕刻機、激光打標機、激光切割機、印刷制輥、金屬非金屬鉆孔/切割/焊接（銅焊、淬水.包層以及深度焊接）、軍事國防安全、醫療器械儀器設備、大型基礎建設等。

光纖激光器和其他激光器一樣，由能產生光子的工作介質，使光子得到反饋并在工作介質中進行諧振放大的光學諧振腔和激勵光躍遷的泵浦源三部分組成，只不過光纖激光器的工作介質是同時起著導波作用的摻雜光纖，因此，光纖激光器是一個波導型的諧振裝置。光纖激光器一般采用光泵浦方式，泵浦光被耦合進入光纖，泵浦波長上的光子被介質吸收，形成粒子數反轉，最后在光纖介質中產生受激輻射而輸出激光，因此，光纖激光器實質上是一個波長轉換器。光纖激光器的諧振腔一般由兩面和對的平面反射鏡組成，信號以波導的形式在腔內傳輸。

11原理特性

由于光纖激光器采用的工作介質具有光纖的形式，其特性要受到光纖渡導性質的影響。進入到光纖中的泵浦光一般具有多個模式，而信號光電可能具有多個模式，不同的泵浦模式對不同的信號模式產生不同的影響，使得光纖激光器和放大器的分析比較復雜，在很多情況下難以得到解析解，不得不借助于數值計算。光纖中的摻雜分布對光纖激光器也產生很大的影響，為了使介質具有增益特性，將工作離子（即雜質）摻雜進光纖。一般情況下，工作離子在纖芯中均勻分布．但不同模式的泵浦光在光纖中的分布是非均勻的。因而，為了提高泵浦效率，應該盡量使離子分布和泵浦能量的分布相重合。在對光纖激光器進行分析時，除了基于前面討論的激光器的一般原理，還要考慮其自身特點，引入不同的模型和采用特殊的分析方法，以達到最好的分析效果。
　　和傳統的固體、氣體激光器一樣，光纖激光器也是由泵浦源、增益介質、諧振腔三個基本要素組成。泵浦源一般采用高功率半導體激光器，增益介質為稀土摻雜光纖或普通非線性光纖，諧振腔可以由光纖光柵等光學反饋元件構成各種直線型諧振腔，也可以用耦合器構成各種環形諧振腔。泵浦光經適當的光學系統耦合進入增益光纖，增益光纖在吸收泵浦光后形成粒子數反轉或非線性增益并產生自發發射。所產生的自發發射光經受激放大和諧振腔的選模作用后，最終形成穩定激光輸出。

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2015-052901