1、2022-4-131光纖激光器及其應用 廖健宏華南師范大學信息光電子科技學院2022-4-132目錄引言光纖激光器基本結構及主要特點高功率光纖激光器及其研究進展高功率光纖激光器的應用展望2022-4-133 激 光 器 問 世 不 久 ， 美 國 光 學 公 司激 光 器 問 世 不 久 ， 美 國 光 學 公 司（American optical corporationAmerican optical corporation）的）的Snitzer Snitzer 和和KoesterKoester于年首先提出于年首先提出光纖激光器和放大器的構思。年光纖激光器和放大器的構思。年高錕和高錕和Hoc

2、khamHockham提出了光纖通信的基本概念。提出了光纖通信的基本概念。年后光纖通信經歷研究開發階段年后光纖通信經歷研究開發階段（），實用化階段（），實用化階段（）迅速進入（）迅速進入年以后的大規模光纖通信建設階段。年以后的大規模光纖通信建設階段。 2022-4-134 隨著光通信的迅猛發展，光纖制造工藝與半隨著光通信的迅猛發展，光纖制造工藝與半導體激光器生產技術日趨成熟，為光纖激光器導體激光器生產技術日趨成熟，為光纖激光器和放大器的發展奠定基礎。英國的南安普敦大和放大器的發展奠定基礎。英國的南安普敦大學和通訊研究實驗室、德國漢堡技術大學、美學和通訊研究實驗室、德國漢堡技術大學、美國的國的P

3、olaroid Corporation,BellPolaroid Corporation,Bell實驗室，日實驗室，日本的、均在光纖激光器研究中本的、均在光纖激光器研究中取得許多重要成果。取得許多重要成果。 2022-4-135 近年來，美國近年來，美國IPG PhotonicsIPG Photonics公司異軍突公司異軍突起，不僅展示，起，不僅展示，Bands Bands 的各種光的各種光纖放大器，高功率的，纖放大器，高功率的，RamanRaman光纖激光纖激光器和雙波長光器和雙波長RamanRaman光纖激光器，更引起國際光纖激光器，更引起國際關注的是該公司已推出各種商用摻關注的是該公司已

4、推出各種商用摻YbYb高功率高功率光纖激光器，最大功率達光纖激光器，最大功率達1 1萬瓦；單模輸出功萬瓦；單模輸出功率高達率高達1000W,1000W,光束質量非常好，光束質量非常好，M M2 2小于小于1.11.1。2022-4-136 高功率光纖激光器具有光束質量好、壽高功率光纖激光器具有光束質量好、壽命長、轉換效率高的優點，其主要性能已明命長、轉換效率高的優點，其主要性能已明顯優于半導體激光泵浦固體激光器和顯優于半導體激光泵浦固體激光器和COCO2 2激光激光器。從發展態勢看，光纖激光器不僅在光纖器。從發展態勢看，光纖激光器不僅在光纖通信領域有重要的應用而且迅速地向其他更通信領域有重要的

5、應用而且迅速地向其他更為廣闊的激光應用領域擴展，這是一類已經為廣闊的激光應用領域擴展，這是一類已經取得技術突破，正在向技術的廣度和深度迅取得技術突破，正在向技術的廣度和深度迅速發展的、有重要應用前景的激光器。速發展的、有重要應用前景的激光器。 2022-4-137二、光纖激光器基本結構及主要特點 諧振腔腔鏡可為反射鏡、光纖光柵或光纖環 諧振腔耦合光學系統工作物質(增益光纖)準直光學系統LD泵浦源 光纖激光器的基本結構與固體激光器的結構基本光纖激光器的基本結構與固體激光器的結構基本相同，如下圖所示：相同，如下圖所示：2022-4-138 光纖激光器大致可分為三類光纖激光器大致可分為三類: 稀土元

6、素摻雜光纖激光器稀土元素摻雜光纖激光器 摻雜離子可為摻雜離子可為Nd3+，Er3+，Yb3+，Tm3+等，基質等，基質可以是石英玻璃，氟化鋯玻璃，磷酸鹽玻璃、單晶、可以是石英玻璃，氟化鋯玻璃，磷酸鹽玻璃、單晶、光子晶體光纖等。光子晶體光纖等。 染料光纖激光器染料光纖激光器 纖芯、包層或二者加入激光染料。纖芯、包層或二者加入激光染料。 非線性光纖激光器非線性光纖激光器 利用光纖中的利用光纖中的SRS，SBS非線性效應產生波長可非線性效應產生波長可變換的激光。變換的激光。2022-4-139光纖激光器的主要特點光纖激光器的主要特點 （1）光纖作為導波介質，纖芯直徑小，纖內易）光纖作為導波介質，纖芯

7、直徑小，纖內易形成高功率密度，可方便地與目前的光纖通信系統形成高功率密度，可方便地與目前的光纖通信系統高效連接，構成的激光器具有高轉換效率、低閾值、高效連接，構成的激光器具有高轉換效率、低閾值、高增益、輸出光束質量好和線寬窄等特點；高增益、輸出光束質量好和線寬窄等特點； （2）由于光纖具有極好的柔繞性，激光器可設）由于光纖具有極好的柔繞性，激光器可設計得相當小巧靈活、結構緊湊、體積小、易于系統計得相當小巧靈活、結構緊湊、體積小、易于系統集成、性能價格比高；集成、性能價格比高； 2022-4-1310 （3）由于光纖具有很高的）由于光纖具有很高的“表面積表面積/體積體積”比，散熱效比，散熱效果非

8、常好，所以光纖激光器可以工作在果非常好，所以光纖激光器可以工作在-2070的的環境溫環境溫度內，不需要龐大的水冷系統，只需簡單的風冷即可，且度內，不需要龐大的水冷系統，只需簡單的風冷即可，且可在惡劣的環境下工作，如在高沖擊、高震動、高溫度、可在惡劣的環境下工作，如在高沖擊、高震動、高溫度、有灰塵的條件下正常運轉；有灰塵的條件下正常運轉； （4）具有相當好的可調諧參數和選擇性，能獲得寬調）具有相當好的可調諧參數和選擇性，能獲得寬調諧范圍（諧范圍（380nm3900nm）和相當好的單色性和高穩定）和相當好的單色性和高穩定性，使用壽命長，平均無故障工作時間在性，使用壽命長，平均無故障工作時間在10k

9、h甚至甚至100kh以；以； （5）采用特殊的器件結構可獲得高功率輸出或超短脈）采用特殊的器件結構可獲得高功率輸出或超短脈沖輸出。沖輸出。2022-4-1311三、高功率光纖激光器及其研究進展三、高功率光纖激光器及其研究進展 光纖激光器不僅與固體、氣體、半導體激光器等相比，有非常明顯的優越性，而且與二極管泵浦固體激光器相比，也有更好的光束質量，可得到更小的聚焦光斑。隨著光纖激光器應用的更加廣泛，對高功率光纖激光器的需要越來越大。為了獲得高功率輸出，關鍵之一是包層泵浦技術（Cladding pumped technology）。2022-4-1312雙包層光纖激光器雙包層光纖激光器 雙包層摻雜光

10、纖的構形如下圖所示 光纖芯光纖芯外包層外包層保護層保護層激光輸出激光輸出泵浦光泵浦光2022-4-1313 雙包層摻雜光纖由纖芯、內包層、外包層和保護層四個層次組成。內包層的作用：一是包繞纖芯，將激光輻射限制在纖芯內；二是將泵浦光耦合到內包層，使之在內包層和外包層之間來回反射，多次穿過單模纖芯被其吸收。 在雙包層結構中，泵浦光的吸收率和內包層的幾何形狀和纖芯在包層結構中的位置有關。此外，泵浦光被摻雜稀土離子的吸收率正比于內包層和外包層的面積比。2022-4-1314 美國IPG公司相繼推出輸出功率為700W、2KW和10KW的摻Yb雙包層高功率光纖激光器產品。為了提高光纖激光器的輸出功率，可采

11、用多組寬帶區多模半導體二極管作為泵浦源，其基本結構如圖所示 2022-4-13152022-4-1316高功率光纖激光器關鍵技術高功率光纖激光器關鍵技術（1）產生激光的特種光纖（Yb-doped double cladding fiber）（2）光纖光柵（激光腔）（3）大功率激光二極管泵浦光/光纖輸出（4）多路泵浦光注入耦合系統（5）多路光纖激光合波器2022-4-1317IPG公司已經推出的部分產品2022-4-1318IPG萬瓦級光纖激光器2022-4-1319IPGIPG公司高功率光纖激光器主要指標公司高功率光纖激光器主要指標2022-4-1320國內研究概況國內研究概況 國內有眾多的高

12、校和研究所在進行摻鐿雙包層光纖激光器的研究工作。目前，取得了一些可喜的成績。 （1）今年7月份，上海光機所在繼去年11月份得到百瓦功率之后，又獲得了200W的輸出功率，光-光轉換效率接近70%，在該項目的研究中，已經申請了十幾項專利技術。 2022-4-1321國內研究概況國內研究概況 （2）南開大學在研制出短脈沖光纖激光器的同時，大膽創新，率先研制出了雙包層光纖光柵，為雙包層光纖激光器的全光纖化研究，邁出了重要的一步。 （3）武漢烽火通信成功推出了完全達到商用水平的雙包層摻鐿光纖產品。據悉，通過上海光機所試用，其斜率效率達到66以上，在選用合適的光纖長度和泵浦功率的條件下，可實現100W以上

13、的激光功率輸出，達到國際先進水平。 2022-4-1322 值得一提的是，近1-2年內，國內外掀起了光子晶體特別是光子晶體光纖的研究熱潮，由于其獨特的結構和導模機制使光子晶體光纖具有許多普通光纖所不具備的優越特性。根據不同的特性，有望研制出各種光子晶體功能器件，比如光子晶體光纖光柵、光子晶體衰減器、激光器和放大器等等。 目前國外有多家公司有晶體光纖產品，比如丹麥晶體光纖公司推出了“雙包層高數值孔徑摻鐿晶體光纖” ，這種光纖可以用在光纖激光器或光纖放大器中，另外由于該光纖具有光敏性，還可以在其上刻寫光纖光柵。 晶體光纖應用于光纖激光器中晶體光纖應用于光纖激光器中2022-4-1323該公司DC-

14、420-23-Yb型雙包層高數值孔徑摻鐿晶體光纖Near Field of core at 1310nm Near Field of cladding Fiber Structure2022-4-1324 國內燕山大學、電子科技集團公司46研究所和上海光機所等單位也在開展光子晶體光纖方面的研制工作，其中燕山大學有一些初期的產品。今年6月份，上海光機所在大芯徑單模光子晶體光纖研制中獲新進展，成功地拉制出芯徑達40m的單模光子晶體光纖。 北郵、北半、南開大學、深圳大學以及北方交通大學等研究所和高校開展了晶體光纖功能器件等的研究工作，取得了一些初步的成功。今年4月深圳大學成功研制出了15W 光子晶體

15、光纖激光器 。2022-4-1325四、光纖激光器的應用 高功率摻鐿光纖激光器（HPFL）與目前激光加工中常用的二氧化碳激光器（CO2）、光泵YAG（LP-YAG）、半導體泵浦YAG激光器相比，表現出突出的優點，特別是電光轉換效率高，光束質量好，泵浦源壽命長，使用方便，環境適應能力強，空氣冷卻等優點，使它在激光應用技術領域中呈現出美好的應用前景。2022-4-1326表1 幾類激光器性能的比較2022-4-1327光纖激光器可用于材料加工和制造光纖激光器可用于材料加工和制造 不同材料加工所需光纖激光器功率如下: 金屬切割:500w2kw； 金屬焊接和硬焊:500w20kw； 金屬淬火和涂敷:2

16、20kw； 玻璃和硅切割:500w2kw； 聚合物和復合材料切割為200w1kw； 快速印刷和打印:20w1kw； 軟焊和燒結為50500w； 消除放射性沾染為300w1kw。 2022-4-1328材料加工應用范圍與激光功率、光束參數關系示意圖材料加工應用范圍與激光功率、光束參數關系示意圖2022-4-1329高功率材料加工2022-4-1330 經過實驗，發現高功率光纖激光器與燈泵和半導體泵浦的YAG激光器相比，具有以下優點：2022-4-1331激光打標激光打標包括半導體芯片/晶元片/集成電路/電子器件，醫療器件，手機/計算機鍵盤，儀器面板/按鍵，服裝鈕扣，香煙/食品包裝等。CO2和和Y

17、AG激光器：激光器：體積大；高功耗；短體積大；高功耗；短壽命；高維護費用；壽命；高維護費用；使用不方便。使用不方便。摻鐿光纖激光器：體積小；低功耗；長壽命摻鐿光纖激光器：體積小；低功耗；長壽命 ；低成本，免維護；光束質量好，工作面處功率低成本，免維護；光束質量好，工作面處功率密度高；光纖傳輸到工作面，使用方便。密度高；光纖傳輸到工作面，使用方便。2022-4-1332深圳大族激光YLP-10光纖激光打標機2022-4-1333YLP-10光纖激光打標機技術參數2022-4-1334在線打標在線打標2022-4-1335激光雕刻激光雕刻精密電子元器件 2022-4-1336精密金屬標刻 2022

18、-4-1337醫療器械精密切割醫療器械精密切割 在醫用儀器中，實用化的典型例子有擴張器、內窺鏡和導管等的加工 。 所謂擴張器，就是治療閉塞性疾病的器具的總稱。例如冠狀動脈血管用的擴張器。此外，還有膽管、食道、氣管、前列腺用的擴張器等。利用擴張器治療疾病源于美國。目前，我國沒掌握心血管支架（coronary stent）的加工技術，進口支架價格昂貴，一個進口支架的價格就將近2萬元，整個手術的費用高達10多萬元，國內很多患者不能得到治療。據衛生部統計，我國需要接受心血管手術的病人已達400萬人，但全國每年的手術量尚不足4萬例。2022-4-1338 一般地，支架尺寸非常小，比如血管支架的主要參數為

19、：直徑0.8-2 mm、壁厚0.08-0.4 mm、網線寬度0.05-0.07 mm，切割加工精密+/-5m。這就要求激光器必須有非常好的光束質量（M2接近于1），以及非常小的聚焦光斑直徑（小于15m）。另外，還要求激光器的穩定性好。所有這些，都只有光纖激光器才能達到要求，比如用YAG激光器切割出來的支架，表面有毛刺現象，而且熱影響區大，影響了支架的彈性。2022-4-13392022-4-1340心臟支架的切割及其應用2022-4-13412022-4-1342六、展望 光纖激光器的優良性能，決定了它比半導體激光器和大型激光器擁有更多的優勢， 其應用范圍越來越廣闊，為滿足快速增長的巨大的市場需求，美國