物理学专业毕业论文设计光纤激光器的研究进展.docx
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物理学专业毕业论文设计光纤激光器的研究进展
教学单位物理与电子信息工程系
学生学号07036124
编号
本科毕业论文（设计）
题目光纤激光器的研究进展
班级07级
学生姓名刘秀秀
专业名称物理学
指导教师李书婷
2011年6月15日
光纤激光器的研究进展
【摘要】光纤激光器作为一种新型特殊器件具有与传统激光器无法比拟的优越特性，如寿命长、模式好、体积小、免冷却等。
最近几十年来受到了来自电子信息、工业加工、生物医学工程、国防科技等领域的高度青睐。
文章概述了光纤激光器的工作原理、分类及优点，对当前主要研究方向和研究现状作了详细介绍，最后提出了光纤激光器产业化的方向和前景。
【关键词】光纤激光器稀土掺杂包层超短脉冲
Theresearchprogressoffiberlasers
[Abstract]:
Fiberlasers,asanewtypeofspeciallyfiber,ownlotsofopticalpropertiesthatthetraditionalfiberdoesnotdo,suchaslonglife,goodmode,compactnessetc.Inrecentdecades,fiberlasershavereceivedincreasinglyintensiveattentionintheapplicationofelectronicinformation,industryprocessing,biomedicineengineeringandnationaldefensetechnology.Thetypicalprincipleoffiberlaserisilluminateandresearchprogressaboutfiberlaserareparticularintroduced.Finally,thefuturedevelopmentaltrendsforlaserfiberarediscussed.
[Keyworods]:
fiberlasersrareearthdopedcladultrashortpulse
1引言
光纤激光器的研发提出了光纤在激光器方面的设想，不久之后就采用掺杂
的玻璃纤维的方法研制出第一台光纤激光器，这一历史标志着激光器的研究进入一个崭新的阶段。
80年代中期英国南安普顿（Southampton）大学的研究人员在光纤中掺入杂质
，从此以后光纤激光器的研究进展进入了实用化阶段
。
特别是20世纪90年代后期，伴随着半导体激光器的掺杂光纤制作技术日益成熟，光纤激光器的研究取得了重大进展，尤其是输出功率，波长调谐范围性能得到了巨大突破。
鉴于光纤激光器具有与光纤系统完全匹配的独特优点，所以它可以更便捷地应用于各种光纤系统和光纤传感系统，特别是可实现稳定多波长激光输出的光纤激光器非常适用于密集波分复用（DWDM）光纤系统，极大地推动了光纤激光器技术的进步
。
目前国内外对于光纤激光器的研究方向和热点主要集中在高功率光纤激光器，高功率光子晶体光纤（PCF）激光器，窄线宽可调谐光纤激光器，多波长光纤激光器，超短脉冲光纤激光器，拉曼光纤激光器，双包层光纤激光器，锁模光纤激光器等方面。
因此，它在通信、军事、生物医疗和光信息处理等领域将有广阔的应用前景，所以备受世界各国工作者的青睐，现已成为国际学术界的热门研究对象。
本文简要介绍了光纤激光器的基本原理，分类及特点，并就几种主要的光纤激光器和国内外近几年的发展作了详细介绍，最后对光纤激光器的应用领域及前景作了分析。
2光纤激光器的工作原理、分类及优点
2.1基本工作原理
图1所示为典型光纤激光器的基本结构。
图1光纤激光器基本结构
典型光纤激光器主要有三部分组成：
一是产生光子的增益介质，二是使光子得到反馈并在增益介质中进行谐振放大的光学谐振腔，三是激发增益介质的泵浦源。
其中介质是掺杂稀土离子的纤芯。
当泵浦光从反射镜1（或光栅1）入射到掺杂光纤芯中时，会被所掺杂的稀土离子吸收。
吸收了光子能量的稀土离子会发生能级跃迁，实现“粒子数反转”反转后的粒子经弛豫后会以辐射形式再从激发态跃迁回到基态，并释放出能量，从反射镜2（或光栅2）输出
。
E
激发态E
激发态
E
泵浦E
泵浦激光
基态激光E
E
E
基态
图2三能级和四能级激光能级图
光纤激光器又有两种激射状态，三能级和四能级激射。
三能级和四能级的激光能级图如图2所示，泵浦（短波长高能光子）使电子从基态跃迁到高能态E
或者E
，然后通过非辐射方式跃迁到激光上能级E
或者E
，当电子进一步从激光上能级跃迁到下能级E
或者E
时，就出现激光过程
。
2.2分类
光纤激光器的分类按照激射机制、器件结构、输出激光特性的不同可以有很多种，以目前光纤激光器技术的发展状况来分，具体有以下这些类型
：
（1）按增益介质分类：
稀土离子掺杂光纤激光器（主要是三价元素，如Er
Nd
Tm
Ho
Yb
Dy
Ev
Dr
等），非线性效应光纤激光器（如光纤受激喇曼散射激光器、光纤受激布里渊散射激光器），单晶光纤激光器，塑料光纤激光器。
在光纤中掺入不同的稀土离子，并采用适当的泵浦技术，即可获得不同波段的激光输出。
（2）按谐振腔结构分类：
F-P腔、环形腔、环路反射器光纤谐振腔以及“8”字形腔、DBR光纤激光器、DFB光纤激光器等。
（3）按光线结构分类：
单包层和双包层光纤激光器、光子晶体光纤激光器、
特种光纤激光器。
（4）按输出激光的时域类型分类：
连续光纤激光器、超短脉冲光纤激光器、
大功率光纤激光器。
（5）按输出波长分类：
S-波段（1460~1530nm）、C-波段（1530~1565nm）、
L-波段（1565~1610nm），可调谐单波长激光器，可调谐多波长激光器。
优势
光纤激光器以光纤作为激光器工作物质，所以与其它激光器相比具有很多优
势
，具体如下：
（1）增益介质长。
光纤激光器能方便地延长其长度以使抽运光被充分吸收。
这一性能使光纤激光器能在低抽运功率下运转，能量转换效率高。
（2）较高的泵浦效率。
通过对掺杂光纤的结构、掺杂浓度、泵浦光强度和泵浦方式的适当设计，使得激光器的泵浦效率得到明显的提高。
例如采用双包层光纤结构，使用低亮度，廉价的多模LD泵浦光源就可实现超过60%的光转换效率。
（3）具有很大的“表面积/体积比”。
这样它的散热效果好，其工作物质的热负荷小，环境温度在-20
~+70
之间，不需要庞大的制冷系统，只需简单的风冷即可。
（4）可在恶劣的环境下工作。
遇到高冲击、高震动、高温度和有灰尘的条件下均可正常运转，不受外界干扰。
（5）耦合效率高，利于兼容。
光纤在光纤激光器中既是增益介质，又是传输介质，因此有利于与其它光纤元件的兼容，可方便地应用于光纤通信和传感系统。
（6）易实现单模、单频运转和超短脉冲（fs级）。
（7）外形紧凑，易于集成。
由于光纤具有较好的柔韧性，所以光纤激光器可以做的相当小巧灵活，便于系统间集成，性价比高。
（8）激光器可在很宽光谱范围内（455~3500nm）设计与运行，应用范围广泛。
3光纤激光器主要研究进展
光纤激光器作为第三代激光技术的代表，各国科学家对于它的研究方向主要集中于高功率光纤激光器，光子晶体光纤（PCF）激光器，窄线宽可调谐光纤激光器，多波长光纤激光器，超短脉冲光纤激光器，拉曼光纤激光器，双包层光纤激光器，锁模光纤激光器等方面。
3.1高功率光纤激光器
高功率光纤激光器因具有效率高、体积小、冷却温度低和光束质量好等优势，所以在空间激光通信、工业加工、生物医疗工程，国防科技上有相当重要的应用价值。
高功率光纤激光器发展的主要内容之一是如何提升单根光纤激光的输出功率
用4个45W的半导体激光器从光纤两端泵浦，获得了110W的单模连续激光输出。
可是当时由于受到光纤和泵浦源技术的限制，在随后的时间里，单光纤激光输出功率没有获得突破性进展。
2003年，随着大规模光纤技术和高功率泵浦源技术的发展，光纤激光器的输出功率快速提高。
。
2004年美国的IPG公司研制出了10万瓦的光纤激光器和1.7万瓦的工业光纤激光器生产线。
至此以后，出现了各种新型的高功率光纤激光器，如光纤碟形激光器（DiskLaser），光子晶体双包层光纤激光器，多纤芯双包层光纤激光器。
单根光纤激光器的连续输出功率已超过1KW，具备了实用化的能力，从而大大扩大了光纤激光器的应用领域。
由于单根光纤输出的激光功率毕竟有限，于是科学家想到利用激光光束组合技术实现输出功率的提高。
据报道，其研究方法有两种：
一是相干光束组合，二是非相干光束组合。
因光纤激光器的相干组合技术可以将多路激光束相干叠加，在提升输出总功率的同时，保持了光纤激光器良好的光束质量，所以该技术成为了高功率光纤激光器研究中很有前途的发展方向
。
3.2双包层光纤激光器
为了提高光纤激光器的输出功率，就要提高泵浦抽运光的吸收效率。
1988年Snitzer等人提出了双包层的泵浦技术使得这一想法成为可能
。
90年代人们主要集中精力研究Nd掺杂的双包层光纤激光器，但由于Nd的吸收带非常窄，对泵浦源的波长稳定性和精度要求较高，而Yb具有很宽的吸收带，还有无受激态吸收，能级结构简单等优点，至此，人们认识到Yb掺杂光纤激光器的发展前景
。
到了21世纪Yb掺杂双包层光纤激光器获得了巨大的突破，已经出现商用功率达几百甚至几千瓦的光纤激光器。
双包层光纤激光器是一种新型的光纤激光器，其优点在于不需要将泵浦能量直接耦合到模场直径相对较小的光纤中去，而是采用成本低、大模场（多模）、高功率的半导体激光器作为泵浦源。
双包层光纤激光器将多个光纤激光器的输出合并以提高功率，以满足工业和军事需要
。
双包层光纤由纤芯、内包层、外包层和保护层四个层次组成，结构如图3所示。
内包层的作用：
一是包绕纤芯，将激光辐射限制在纤芯（纤芯中掺入稀土元素铒、镱、铷等，与单模光纤纤芯一样，具有很大的折射率，可以用来传输单模信号光）内；二是将泵浦光耦合到内包层，使之在内包层和外包层之间来回反射，多次穿过单模纤芯而被吸收，这样在纤芯中传播光的比例就会增加。
它的光源是有多个多模激光二极管（LD）组成,外包层的折射率最小
。
1
4
3
2激光
泵浦源
图3双包层光纤激光器结构图
窄线宽光纤激光器
窄线宽光纤激光器以线宽窄，低噪声等优点广泛应用于光纤传感、光纤遥感、高精度光谱及光纤通信领域。
它的实现方法一般是在光纤纤芯里写入Bragg,作为激光腔镜从而完成激光的窄带输出。
这是1991年Ball等人第一次在掺铒光纤中采用Bragg反射镜（FBR），1550nm激光的单模输出的基础上又一次飞跃。
窄线宽光纤激光器的早期研究工作主要集中于固定波长的窄线宽光纤激光器上，振荡波长由固定波长响应的滤波器控制，如布拉格光栅，其反射中心波长由光栅周期决定，反射宽带由光栅长度决定。
除了通过对光纤光栅施加应力或温差来改变振荡波长外，还可以通过旋转光栅、调节腔内标准具角度，利用声光滤波器、电调液晶标准具等方式来实现。
窄线宽光纤激光器常见的腔体结构有线性腔结构和环形腔结构。
其中，线性腔结构简单，工作稳定，但是由于驻波场存在空间烧孔效应，不利于实现单频率运转，常常把腔体变短，从而导致抽运转化效率低。
而采用环形腔结构的窄线宽光纤激光器则可以消除空间烧孔效应，并实现单频运转，其腔体较长，增益高。
2007年光库通讯采用美国核心专利技术和高浓度铒/镱离子共掺有源光纤，向市场推出了一款超窄线宽光纤激光器，其腔体长度小于5cm，线宽小于3KHz，高达150mW的输出功率。
多波长光纤激光器
多波长光纤激光器在DWDM光纤通信系统、分布式多波长光纤传感系统、光学测试、光谱学等方面有着广泛应用的前景
。
多波长光纤激光器是利用光纤光栅反馈和滤波机理实现多波长选择的。
报道了一种室温条件下超低损耗的全光纤多频激光器，实现了18通道输出。
2006年，Y.G..Liu等人在常规掺Er
环形激光器上实现了室温下多波长激光的输出
。
多波长EDFL具有较窄的增益频谱，限制了更多波长的激光振荡，DWDM技术的日益成熟对多波长激光器的性能也提出了很高的要求。
但由于增益介质和设计仍是制作高性能、低成本多波长光纤激光器的关键，所以如何改善目前多波长EDFL中EDF过长而产生的对环境敏感等因素和如何使得输出波长更加稳定且易于调节，是以后多波长EDFL研究发展的趋势
。
超短脉冲光纤激光器
超短脉冲光纤激光器也是目前光纤激光器所研究的一个方向，它主要利用被动锁模技术。
光纤激光器利用锁模原理产生脉冲使激光输出，当光纤激光器在增益带宽内大量纵模上运转时，当每个纵模相位同步，任意相邻纵模相位差为常数，这时就能实现锁模。
光纤激光器分为主动锁模和被动锁模光纤激光器，主动锁模调制能力限制了锁模脉冲的宽度，被动锁模光纤激光器是利用光纤或者其它光学元件的非线性光学效应实现锁模的。
激光器结构简单，在一定范围下不需要任何调制元件就可以实现自启动锁模工作
。
报道了一种新的被动锁模超短腔高平均功率皮秒级短脉冲光纤激光器，获得稳定的重复率达550MHz的脉冲激光输出（平均输出功率为500~775mW）。
2007年Sumimura等人
利用啁啾光栅做谐振腔得到了稳定的、单模输出的飞秒锁模光纤激光器。
据报道，皮秒光纤激光器现已经突破了100W壁垒，并有可能成为未来高速自由空间系统的中心软件，用于卫星，甚至行星间的通信
。
3.6拉曼光纤激光器（RFL）
受激拉曼散射（SRS,StimulatedRamanScattering）是光纤非线性光学中一个很重要的非线性过程，它是由高强度的激光（超过一定阈值）与光纤介质中的分子振动模式（光学声子）相互作用产生的一种非线性光学效应。
当前RFL的主要增益介质是锗硅光纤和磷硅光纤，它们的拉曼频移分别为440cm
和1330cm
。
近年来，由于RFL的研究进展迅速，新结构、新用途的激光器相继出现，使得RFL各方面的性能大为提高，成为了商用产品
，如美国IPG、法国Keosys等公司均可提供5W的拉曼放大泵浦模块，并被认为是用于拉曼放大和远泵EDFA放大应用的合理光。
阿尔卡特公司在OFC
2002会议上曾报道了一种可重构三波长的RFL结构，得到了输出波长分别为1427nm,1455nm和1480nm的输出，其用于C+L波段的拉曼放大器中。
2003年南开大学的苏红新等人
报道了内腔级联RFL输出特性的实验结果。
2004年深圳大学的杜戈果等人
报道了利用国产镀膜镜作为谐振腔镜实现的一级拉曼激光输出的实验结果。
同年，Skubchenko等人
研制出一种高功率的全光纤保偏RFL；Abeeluck等人
利用高非线性色散位移光纤获得了3.2W，超过544nm的超连续输出；Sim等人
在1539nm实现了输出13.2W，转换效率为32.5%的激光，是目前在1400~1600nm波段已报道的功率最高的级联RFL。
2006年，新加坡的GNing等人在环型、线型两种谐振腔中使用啁啾光纤布
拉格光栅作为选频器件，在室温下均获得了1550nm波段的波长间距为0.8nm、各波长输出功率均衡的10波长拉曼光纤激光器
。
2007年，YEmori等采用65m高飞线性锗硅光纤作为增益介质，利用五级级联激光器结构，用波长为1117nm掺镱光纤激光器的五级级联拉曼光纤激光器，在1480nm获得了输出功率高达41W的激光输出，这是目前级联拉曼光纤激光器所报道的最高输出功率
。
3.7锁模光纤激光器
采用锁模技术是产生超短脉冲实现未来高速、大容量光纤通信的一条重要途径。
由于锁模光纤激光器具有体积小、结构灵活、成本低等特点在光通信网络、超快光谱、材料加工、非线性光学等方面应用十分广泛。
光纤激光器中采用锁模技术常分为三种：
一是主动锁模，二是被动（自动）锁模，三是混合锁模。
由于主动锁模调制能力有限，限制了锁模脉冲的宽度，脉冲宽度通常为ps量级，被动（自动）锁模光纤激光器是利用光纤或其它元件中的非线性光学效应实现锁模的，激光器结构简单，在一定条件下不需要插入任何调制元件就可以实现自启动锁模工作
。
20世纪90年代后期，S.T.Cundiff等人采用可饱和布拉格反射器（SBR）设计出锁模光纤激光器，它能产生脉宽为400fs的弧子脉冲输出
。
之后，B.腔内实现了锁模输出
。
2003年Avdokhin
等人报道了一种全光纤结构的“8”字形腔激光器，在此激光器中利用一段较短的高增益双包层掺杂Yb
光纤进行放大，应用多孔光纤进行色散补偿，在1065nm波段实现了850fs的锁模脉冲输出。
2004年Lin等人报道了用Fabry-Perot半导体激光器作为损耗调制器的有理谐波锁模激光器，利用工作在阈值以下的半导体激光器取代调制器，从而实现主动锁模
。
2006年，周晓芳
等人设计了一种基于非线性偏振旋转效应的被动锁模激光器，它用光纤线圈结构作为偏振控制器，利用光纤的弹光效应改变光线中的双折射，从而控制光纤中光波的偏振态。
光子晶体光纤（PCF）激光器
光子晶体激光器主要体现在其独特的光学性质和巧妙地设计，它主要利用了光子晶体光纤的零色散点选择近红外和可见光区域这一特点制成。
与传统的光纤相比较，光子晶体光纤（PCF）具有如下特点：
无限单模特性、超连续性、高双折性、可控色散特性和大模场面积。
2000年，Wadsworth首次报道了光子晶体光纤激光器（PCFL），2001年，英国巴斯大学Wadsworth等人实现了双包层PCF结构，双包层光子PCF掺杂离子为Yb
，利用20W光纤耦合二级管阵列泵浦该光纤，获得了3.9W的输出功率，斜率效率为21%，实现了单横模运转
。
2003年，德国和丹麦的研究人员分别报道了波长为1070nm、输出功率达到80W、斜率效率为78%的高功率PCFL激光器
。
2005年德国IPHTJena研究所制备出输出功率为1.53KW的单模双包层PCF，光束质量小于3,纤芯直径31
输出功率为1530W
。
。
2008年，国内西安光机所KailiangDuan等人
报道了最大连续输出功率为95.8W，耦合效率为90.2%的激光输出。
4国内光纤激光器的发展
我国光纤激光器的研制并不落后，已经有好几个单位实现了连续200W以上的输出功率。
2002年南开大学报道了掺杂Yb
双包层光纤激光器中得到了4.8ns的自调Q脉冲输出和混合调Q双包层光纤激光器中得到峰值功率大于8KW，脉宽小于2ns的脉冲输出。
2003年南开大学报道了利用脉冲泵浦获得100KW峰值功率的调Q脉冲，以及得到60nm可调谐的调Q脉冲。
2003年11月20日报道，上海科学家在激光领域取得新成果，成功开发出输出功率达107W的光纤激光器。
其激光器全称为“高功率掺镱双包层光纤激光器”，与目前已有的激光器相比它的维护费用和功率消耗都要低的多，寿命是普通激光器的几十倍。
该课题的负责人之一楼祺洪研究员告诉记者，激光打印有着广泛的应用前景，与市民生活直接相关的如食品的生产日期、防伪标识等，若以激光打印代替现在的油墨打印清晰度高、永不褪色、难以仿冒、利于环保，具有国际流行的新趋势。
上海科学家研制的光纤激光器使光纤激光器输出功率有迈进了一个新台阶，最大输出功率达107W，已经遥遥领先于全国同行。
2004年，南开大学又报道了连续泵浦206KW峰值功率的调Q脉冲。
2004年12月3日，烽火通信报道，继推出激光输出功率达100W以上的双包层掺镱光纤后，经过艰苦的攻关再传佳绩，将该类新型光纤的输出功率成功提到440W，达到国际领先水平。
2005年西安光电机所在第17界激光会议上，报道了在连续输出，光子晶体光纤激光器方面得到了98W的激光输出
。
2007年，赵卫
等人报道了一种被动锁模掺Yb
“8”字形腔光纤激光器。
在此光纤激光器中应用了一个非3dB耦合器，并用衍射光栅对腔内色散进行补偿。
从整体来看，尽管我国目前与国外研究光纤激光器的水平还存在着一定的差距，但是落后时间并不长，只要我国光纤器件的研制生产单位积极开展相关产品的研制开发工作，我们是能够在光纤激光器的研制生产方面站在国际前列的。
5光纤激光器的主要应用领域
随着光纤激光技术的迅速发展和逐渐成熟，光纤激光器的优势已被人们所认识，市场需求和应用也进一步扩大。
几乎包括了国民经济的所有领域，被誉为“制造系统共同的加工手段”。
具体有：
军事领域
窄线宽光纤激光器是一种在军事领域中应用非常广泛的光纤激光器，尤其是高精度激光目标指示和超远距离测距技术。
目前一般的商业激光测距仪的测量距离最远为10~20km，这是由于它的动态范围和测量敏感度限制所致，其性能无法满足军方ISR（情报、监视、侦查）综合平台的需求。
基于频率调制连续波长技术原理，光库通讯研制出一种1550nm超窄线宽光纤激光器。
能广泛应用于几百公里的激光目标指示和激光测距，从而大大降低了搭建ISR平台的成本。
目前，高功率双包层光纤激光器具有效率高、尺寸小、重量轻、成本低等优点，也是军事国防激光武器发展中最具有潜力的方向。
研制激光武器一直是军事领域中的焦点，据报道，2006年美国海军提出在10年内研制出一种100KW，机载光纤激光器吊舱。
另据美国军事与航空航天电子网报道，美国空军人员于2007年开始探索先进光纤激光器系统的创新技术与方法。
所以，光纤激光器有可能成为未来武器级固态激光器系统的候选方案。
5.2工业领域
脉冲光纤激光器以其优良的光束质量，可靠性，最长的面维护时间，最高的整体电光转换效率，脉冲重复频率，最小的体积，无需水冷的最简单、最灵活的使用方式，最低的运行费用使其成为在高速、高精度激光标刻方面唯一的选择。
光纤激光成型或折曲是一种用于改变金属板或硬陶瓷曲率的技术，集中加热和快速自冷切导致激光加热区域的可塑性变形，永久性改变目标工件的曲率，使用激光处理的微弯曲远比其他方式具有更高的精密度，同时，这在微电子制造是一个很理想的方法。
随着光纤激光器功率的不断攀升，光纤激光器在工业切割方面得以被规模化应用。
比如用快速斩波的连续光纤激光器微切割不锈钢动脉管，而且光纤激光器现已用在汽车和船舶IC封装等产业中。
5.3生物医学工程领域
随着紫外光线光栅写入和包层泵浦技术的发展，输出波段在紫光、蓝光、绿光、红光及近红外光的波长上转换光纤激光器已可以作为实用的全固化光源而广泛应用于数据存储，彩色显示，医学荧光诊断，皮肤美容等。
随着光纤激光器进一步的研究，将会更加广泛的应用于医学诊断（如细胞影像）、药检、DNA排序、细胞分裂以及蛋白质分析方面。
5.4通信领域
光纤激光器以其独特的优势带动了光纤通信的发展，是实现光弧子通信的关键技术，它不仅可以实现连续的激光输出，而且还可以产生皮秒甚至飞秒的超短脉冲，能够实现高速、大容量和高质量的信息传输，为实现全光通信系统提供保障。
6光纤激光器的发展前景
由于光纤激光器以光纤作为波导介质，耦合效率高，易形成高功率密度，散热效果好，无需庞大的制冷系统，具有高转换效率、低阈值、光束质量好、窄线快和设计灵活等优点，已经成为世界各国研究更深层次激光技术的重要发展方向。
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