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淺談:光纖激光器的發展概況

發布時間:2017/9/5     信息來源:http://www.mediaworksasia.com   作者:激光切割機    0

對摻雜光纖作增益介質的光纖激光器的研究始於20世紀60年代。斯尼澤(snitze)r於1963年報道了在玻璃基質中摻激活銣離子(Nd3+))所製成的光纖激光器。20世紀70年代以來,人們在光纖製備技術以及光纖激光器的泵浦與諧振腔結構的探索方麵取得了較大進展。而在20世紀80年代中期英國南安普頓大學摻餌(Er3+)光纖的突破,使光纖激光器更具實用性,顯示出十分誘人的應用前景。光纖激光器的輸出波長範圍在400~3400nm之間,可應用於光學數據存儲、光學通信、傳感技術、光譜和醫學應用等多種領域。光纖激光器是當今光電子技術研究領域中最前沿的研究課題之一。

光纖激光器的基本原理及特點

1、光纖激光器的基本原理

光纖激光器和其它激光器一樣,由能產生光子的增益介質,使光子得到反饋並在增益介子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。

一段摻雜稀土金屬離子的光纖被放置在兩個反射率經過選擇的腔鏡之間,泵浦光從左麵腔鏡耦合進入光纖。左麵鏡對於泵浦光全部透射和對於激射光全反射,以便有效利用泵浦光和防止泵浦光產生諧振而造成輸出光不穩定。右麵鏡對於激射光部分透射,以便造成激射光子的反饋和獲得激光輸出。這種結構實際上就是Fabry-perot諧振腔結構。泵浦波長上的光子被介質吸收,形成粒子數反轉,最後在摻雜光纖介質中產生受激發射而輸出激光。

光纖激光器由兩種激射狀態,一種是三能級激射,另一種是四能級激射。兩者的差別在於較低能級所處的位置。在三能級係統中,激光下能級即為基態,或是極靠近基態的能級。而在四能級係統中激光下能級和基態能級之間仍然存在一個躍遷,通常為無輻射躍遷。電子從基態提升到高於激光上能級的一個或多個泵浦帶,電子一般通過非輻射躍遷到達激光上能級。泵浦帶上的電子很快弛豫到壽命比較長的亞穩態,在亞穩態上積累電子造成電子數多於激光下能級,即形成粒子數反轉。電子以輻射光子的形式放出能量回到基態。這種自發發射的光子被光學諧振腔反饋回到增益介質中誘發受激發射產生與誘發這一過程的光子性質完全相同的光子。當光子在諧振腔內所獲得的增益大於其在腔內損耗時,就會產生及光輸出。理論上四能級光纖激光器的閥值低於三能及係統。

2、光纖激光器的特點

①光纖作為導波介質,其耦合效率高,纖芯直徑小,纖內易形成高功率密度,可方便地與目前的光纖通信係統高效連接,構成的激光器具有高轉換效率、低激光閥值、輸出光束質量好和線寬窄等特點。

②由於光纖具有很高的“表麵積/體積”比,散熱效果好,環境溫度允許在-20~+70攝氏度之間,能產生高亮度及高峰值功率,能在不加強製冷卻的情況下連續工作

③可在惡劣的環境下工作,如在高衝擊。高震動、高溫度、有灰塵的條件下皆可正常運轉。

④由於光纖具有極好的柔繞性,激光器可設計得相當小巧靈活,同時,可借助光纖方向耦合器構成各種柔性諧振腔,使激光器的結構更加緊湊、穩定、性能價格比高。

⑤具有相當多的可調諧參數和選擇性,能獲得寬調諧範圍、很好的單色性和高穩定性,其泵浦壽命長,平均無故障工作時間在10Kh甚至100Kh以上。

⑥容易實現單模、單頻運轉和超短脈衝。

⑦光纖激光器可在很寬光譜範圍內(455nm~3500nm)設計與運行,可實現可調諧光纖激光器。

⑧光纖激光器的激射波長是由基質材料的稀土摻雜劑所決定,不受泵浦波長的控製,可利用與稀土離子吸收光譜相對應的廉價短波長。

3、光纖激光器的應用及發展方向

①通信

在光通信領域,采用布喇格光柵作為腔反饋和模式選擇的摻鉺光纖激光器比較容易實現單模、單頻和低噪聲,並被應用於光通信和光傳感係統中,特別是可應用於密集波分複用(DWDM)通信和光孤子通信中。如外調製的摻鉺光纖激光器在1996年就能提供傳輸距離654KM,速率為2.5Gb/s的信號,其誤碼率為10-9,與DBM半導體激光器性能類同,但後者難已實現波長特定。光纖激光器用於現有的通信係統使之支持更高的傳輸速率,在未來的高碼率通信係統中具有不可替代的重要地位。

②軍事

美國空軍實驗室的科學家們正在努力將光纖激光器的輸出功率提高到千瓦數量級。定向能量瞄準項目中的激光集成技術分項目的研究人員正與加州SanJose市的SDL公司合作,開發高亮度、光照麵積小的係統。該係統能作為激光防禦武器替代目前看好的化學激光器。

③工業加工

激光波長在1080nm附近的摻鐿光纖激光器,其極高的效率和功率密度在材料加工方麵可與傳統的YAG激光器相媲美。光纖激光器用於先進的加工產業可以使許多大型的激光加工設備包括切割、焊接、熱處理以至激光打標、激光雕刻、精密打孔、激光醫療器械等設備和儀器都可以製成重量和體積較小的設備或者便攜式的靈巧係統。

④激光印刷

雙包層光纖激光器,因其擁有極高的熱穩定性和轉換效率而大量進入印刷市場,印刷廠利用它可進行校樣的製模。

⑤醫療

功率超過幾瓦的光纖激光器在顯微外科手術中扮演了十分重要的角色,它能為外科手術提供較大的高能輻射源。

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