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1、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Th
2、e research progress of fiber lasersAbstract: Fiber lasers ,as a new type of specially fiber ,own lots of optical properties that the traditional fiber does not do ,such as long life ,good mode ,compactness etc. In recent decades, fiber lasers have received increasingly intensive attention in the app
3、lication of electronic information, industry processing , biomedicine engineering and national defense technology . The typical principle of fiber laser is illuminate and research progress about fiber laser are particular introduced . Finally, the future developmental trends for laser fiber are disc
4、ussed. Key worods: fiber lasers rare earth doped clad ultrashort pulse 目 录 1引言12 光纤激光器的工作原理、分类及优点22.1 基本工作原理22.2 分类32.3 优势43 光纤激光器主要研究进展53.1 高功率光纤激光器53.2 双包层光纤激光器63.3 窄线宽光纤激光器73.4 多波长光纤激光器73.5 超短脉冲光纤激光器83.6 拉曼光纤激光器（RFL）93.7 锁模光纤激光器103.8光子晶体光纤（PCF）激光器104 国内光纤激光器的发展115 光纤激光器的主要应用领域125.1 军事领域125.2 工业领域
5、135.3 生物医学工程领域135.4 通信领域136 光纤激光器的发展前景147 结束语15参考文献15致 谢2021引言光纤激光器的研发始于20世纪60年代，美国光学公司（American optical company）的E.snizer等人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
6、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
7、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。泵浦源隔离器反射镜1（或光栅）掺杂光栅反射镜2（或光栅）激光输出图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
8、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
9、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
10、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（14601530nm）、C-波段（15301565nm）、L-波段（15651610nm），可调谐单波长激光器，可调谐多波长激光器。2.3 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
11、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
12、成，性价比高。（8）激光器可在很宽光谱范围内（4553500nm）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。1999
13、年美国的V.Dominic等人用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。后来，英国南安普顿大学报道了1.36KW连续波光纤激光器。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（Disk Laser），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
