光纖激光器原理及應用

【摘 要】光纖激光器作為光源在光通信領域已得到廣泛應用，而隨著大功率雙保層光纖激光器的出現，其應用正向著激光加工、激光測距、激光雷達、激光藝術成像、激光防偽和生物醫療等更廣闊的領域迅速擴展。本文以下內容概述了光纖激光器的原理、特點及應用。

【關鍵詞】光纖激光器 原理 應用

一、光纖激光器原理

利用摻雜稀土元素研制成的放大器給光波技術領域帶來了革命性的變化。由于任何光放大器都可通過恰當的反饋機制形成器，因此光纖激光器可在放大器的基礎上開發。目前開發研制的光纖激光器主要采用摻稀土元素作為增益介質。由于光纖激光器中纖芯很細，在泵浦光的作用下內極易形成高功率密度，造成工作物質的能級“粒子數反轉”。因此，當適當加入正反饋回路（構成諧振腔）便可形成振蕩。另外由于基質具有很寬的熒光譜，因此，光纖激光器一般都可做成可調諧的，非常適合于WDM系統應用。和半導體器相比，光纖激光器的優越性主要體現在：光纖激光器是波導式結構，可容強泵浦，具有高增益、轉換效率高、閾值低、輸出光束質量好、線寬窄、結構簡單、可靠性高等特性，易于實現和的耦合。

我們可以從不同的角度對光纖激光器進行分類，如根據光纖激光器的諧振腔采用的結構可以將其分為Fabry-Perot腔和環行腔兩大類。也可根據輸出 波長數目將其分為單波長和多波長等。對于不同類型光纖激光器的特性主要應考慮以下幾點：（1）閾值應越低越好；（2）輸出功率與抽運光功率的線性要好； （3）輸出偏振態；（4）模式結構；（5）能量轉換效率；（6）器工作波長等。

二、光纖激光器的簡述

光纖激光器和放大器的研究與應用引起了廣泛的重視和興趣，已能制備以硅和氟化鉛為基質的摻雜稀土金屬元素的光纖。用這些光纖制作成光源或光放大器在降低光通信系統的成本方面具有巨大的潛力。接鉸和餌離子的光纖激光器已有多種波長的輸出，包括900nm、1060nm和1550nm等。用輸出波長為800nm的I'D作為泵浦源也可以獲得光通信重要窗口波長（1550nm）的輸出。

激光輸出諾可以通過改變稀土離子所處的玻璃基質進行改變。由摻雜稀土元素離子的氟化錯光纖可以在紅外區產生波長為1050nm、1350nm、l 380nm和l 550nm的激光輸出，其中1350nm波長非常有價值，因為利用以硅為基質的光纖要想得到這個波長的輸出非常困難。此外，這種光纖能在2.08ftm、2.3f4m和2.7Pm的中紅外波長區產生激光輸出也具有十分重要的價值。這種光源可能在通信、醫學、大氣通信和光譜學方面得到應用。

光纖激光器的輸出方式可以是連續的，也可以是脈沖的。光纖激光器的調Q和鎖模以及亞納秒脈沖業已獲得。光纖激光器可以在其整個熒光譜范圍內進行調節輸出，最重要的是可以獲得窄帶寬、單縱模的輸出，因此也可用于相干通信以及其他單色性要求較高的應用場合。光纖放大器的優越性能以及用LD作為泵浦源實現了放大，使其在光通信系統中的應用越來越廣泛。

三、光纖激光器的應用

（一）標刻應用

脈沖光纖激光器以其優良的光束質量、可靠性、最長的免維護時間、最高的整體電光轉換效率、脈沖重復頻率、最小的體積、無須水冷的最簡單、最靈活的使用方式，最低的運行費用使其成為在高速、高精度激光標刻方面的唯一選擇。一套光纖激光打標系統可以由一個或兩個功率為25W的光纖激光器，一個或兩個用來導光到工件上的掃描頭以及一臺控制掃描頭的工業電腦組成。這種設計比用一個50W激光器分束到兩個掃描頭上的方式高出達4倍以上的效率。該系統最大打標范圍是175mm*295mm，光斑大小是35um，在全標刻范圍內絕對定位精度是+/-100um。100um工作距離時的聚焦光斑可小到15um。

（二）材料處理的應用

光纖激光器的材料處理是基于材料吸收激光能量的部位被加熱的熱處理過程。1um左右波長的激光光能很容易被金屬、塑料及陶瓷材料吸收。

（三）材料彎曲的應用

光纖激光成型或折曲是一種用于改變金屬板或硬陶瓷曲率的技術。集中加熱和快速自冷切導致在激光加熱區域的可塑性變形，永久性改變目標工件的曲率。研究發現用激光處理的微彎曲遠比其他方式具有更高的精密度，同時，這在微電子制造是一個很理想的方法。

（四）激光切割的應用

隨著光纖激光器的功率不斷攀升，光纖激光器在工業切割方面得以被規模化應用。比如：用快速斬波的連續光纖激光器微切割不銹鋼動脈管。由于它的高光束質量，光纖激光器可以獲得非常小的聚焦直徑和由此帶來的小切縫寬度正在刷新醫療器件工業的標準。

綜上所述，光纖激光器技術是一個正在得到高度重視和迅速發展的新型技術研究熱點，所涉及的科學研究和產品應用領域十分廣泛，具有巨大的潛在應用價值和廣闊的市場前景。隨著各種類型光纖激光器技術的逐步成熟和商業化應用，將對相關領域的發展產生巨大的推動作用，同時也將引起相關技術領域的深刻變革。

【參考文獻】

[1]劉德明， 向清. 黃德修光纖光學北京國. 防工業出版社，1995.

[2]張寶富等. 全光網絡. 北京人民郵電出版社，2001.

[3]葛強，鄭鴻章. 光纖激光器的應用[J]. 光機電信息，2003.

[4]Jef Hecht編著，賈東方，余震虹，等譯. 光纖光學[M].北京：人民郵電出版社（第4版），2004.