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高功率光纤激光器及其应用High Power Fiber Laser Its Application 中国科学院广州电子技术研究所 王天及 次目 摘要 引言 高功率光纤激光器的工作原理 高功率光纤激光器的特性及其应用展望 摘要 1，概要地描述高功率光纤激光器的基本工作原理和关键技术; 2，介绍目前国际市场上刚出现的几种新颖的高功率光纤激光器,并介绍它们的特征; 3，对高功率光纤激光器在一些领域中的应用进行了展望。 引言 光纤激光器是当前激光技术研究领域中的前沿课题，它的研究与应用亦日趋活跃。 国家自然科学基金委和“863”分别将其列入2002年的重大研究课题和攻关项目。 随着激光二极管及其泵浦技术、光纤材料和工艺研究的进展，适合多种不同应用目的的光纤激光器亦缤呈异彩地涌现于世。 其应用领域也已从目前最为成熟的光纤通讯网络方面迅速地向其他更为广阔的激光应用领域扩展。 高功率光纤激光器的应用领域 金属和非金属材料的加工与处理； 激光雕刻； 激光产品打标； 激光焊接，焊缝清理； 精密打孔； 激光检测和测量； 激光图形艺术成像； 激光雷达系统，污染控制； 传感技术和空间技术； 激光医学等等。 高功率光纤激光器的主要特性 在光纤材料中掺杂铒(Er)，铥(Tm)，镨(Pr)，镱(Yb)等不同的稀土元素便会使光纤激光器有多种不同的输出波长； 由于双包层泵浦技术 (Double Cladding Pumped Technology) 的发明与特殊工艺的融合便诞生了高功率的光纤激光器； 目前光纤激光器波长范围可以从蓝、绿、红可见波长到2000nm； 光纤激光器输出的连续激光功率从百毫瓦量级上升到百瓦的量级,千瓦量级,乃至万瓦量级。 高功率光纤激光器的主要优点 2002年1月,美国一公司推出一种掺镱的高功率光纤激光器，其连续出功率高达700瓦 (波长为1.06?m), 这种激光器的特点是：? *转换效率高（可高达20%）； *寿命长（平均无故障工作时间在10万小时以上）； *可在恶劣的环境下工作（由于其共振腔置于光纤内部， 即使在高冲击，高震动，高湿度，有灰尘的条件下皆可正常运转，而环境温度范围允许在-20 C至+70 C之间）； *无论是连续或脉冲的运转方式皆无需庞大的水冷或风冷系统.只需一般的散热体或简便的风冷即可， *其外型紧凑体积小（光纤激光器模块的体积大约有一本字典的大小）； *方便光纤导出； *易于系统集成； *无有体积庞大的电源系统。 高功率光纤激光器的工作原理-1 光纤激光器是在光纤放大器的基础上而发展起来的。 它是利用掺杂稀土元素的光纤，再加上一个恰当的反馈机制便形成了光纤激光器。 掺杂稀土元素的光纤就充当了光纤激光器的增益介质。 在光纤激光器中有一根非常细的光纤纤芯，由于外泵浦光的作用，在光纤内便很容易形成高功率密度，从而引起激光工作物质能级的粒子数反转。 一般是采用光纤光栅构成光纤激光器的谐振腔。 高功率光纤激光器的工作原理-2 高功率光纤激光器的关键技术: 用于泵浦的宽面、多模大功率激光二极管; 截面为梅花瓣形的内包层或多孔的双包层光纤； 单模掺镱纤芯; 锥形捆扎或树叉形双包层光纤泵浦光导入口; 特殊耦合技术; 光纤光栅谐振腔. 高功率光纤激光器的工作原理-3 高功率光纤激光器的工作原理-4 高功率光纤激光器的工作原理-5 光纤激光器基本结构示意图Sketch of fiber laser 几种泵浦方式 1 多模、包层泵浦示意图Multi-mode,cladding pumping 多模泵浦光 Multi-mode pump light 掺稀土元素硅光纤的制作 使用MCVD (Modified Chemical Vapor Deposition)设备 稀土元素溶液的掺杂 低折射率镀层制做双包层光纤 超声成型 高功率光纤激光器的工作原理- 6 若在包层光纤材料中掺杂不同的稀土元素，例如掺杂铒(Er)，铥(Tm)，镨(Pr)，镱(Yb)等不同的稀土元素即会使得光纤激光器有多种不同的激光波长输出。 如果用多个多模激光二极管同时耦合至双包层光纤上，就可以获得高功率的激光输出。 这就是被称之为双包层、多模、并行泵浦技术。 Yb3+离子能级图 Yb+3基态与激发态吸收谱 光纤激光器包层泵浦技术示意图 cladding pumping technology in fiber laser 宽面的泵浦激光二极管 多模泵浦二极管其稳定性很高。几何上的宽面就使得LD的断面上的光功率密度很低且通过活性面的电流密度亦