光子晶体光纤在光纤激光器中的应用

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光子晶体光纤在光纤激光器中的应用

牛静霞，周桂耀，侯蓝田，宋昭远，靳涛涛，董世蕊，夏长明

（燕山大学红外光纤与传感研究所，河北秦皇岛066004）

摘要：光子晶体光纤研究的日趋成熟不仅拓宽了光纤激光器的研究领域，同时也推动了激光技术的发展。文章针对大模面积双包层光子晶体光纤的特点，探讨了其在光纤激光器中的应用，重点阐述了光子晶体光纤在光纤激光器应用领域的最新进展，并介绍了燕山大学在制备稀土掺杂光子晶体光纤上所取得的最新成果。

关键词：光子晶体光纤；光纤激光器；大模面积；掺Ｙｂ３＋双包层

中图分类号：TN253文献标识码：A文章编号：1002-5561(2009)01-0044-04

Applications of photonic crystal fiber in fiber laser

NIU Jing-xia,ZHOU Gui-yao,HOU Lan-tian,

SONG Zhao-yuan,JIN Tao-tao,DONG Shi-rui,XIA Chang-ming

(Institute of Infrared Fiber and Sensors,

Yanshan University,Qinhuangdao Hebei066004,China)

Abstract:The advancement of photonic crystal fiber not only expanded the field of fiber laser research,but also promoted the development of laser technology.For the fiber laser application,the characteristics of large mode double-clad area PCF were described in this article.It was introduced that the latest progress the PCF used in the optical fiber laser and the achievement of the YanShan University about the manufacture of doped PCF.

Key words:photonic crystal fiber,fiber laser,large mode area,Yb3+-doped double-clad

0引言

光纤激光器作为激光领域的新兴技术，近年来成为科学研究领域的热点问题。光纤激光器采用光纤作为增益介质，泵浦光在纤芯内形成高功率密度，当加入正反馈回路时，便产生激光输出[1]。对于采用常规光纤的光纤激光器，要求注入到纤芯的泵浦光为单模，这就限制了泵浦光的入纤效率。且当激光器高功率运转时，由于纤芯的非线性效应，也将限制输出功率的极限值。光子晶体光纤由于其灵活的光学可控性和特殊结构，可具有大模面积且保持无限单模的特性，有效地克服了常规光纤的设计缺陷[2，3]。以这种具有新颖波导结构和特性的光纤作为有源掺杂的载体，并把双包层概念引入到光子晶体光纤中，将使光纤激光器的各种性能有了显著提高[4]。因此，基于光子晶体光纤的光纤激光器以其高输出功率、低阈值、高效率、窄线宽和可调谐等优点，其发展和应用得到了社会各方面的广泛关注。本文将主要结合大模面积双包层光子晶体光纤的结构特点，系统分析光子晶体光纤在高功率光纤激光器领域的最新进展和应用前景,并介绍我们课题组最新制备的各种结构新颖的稀土掺杂光子晶体光纤。

1大模面积双包层光子晶体光纤

大模面积光子晶体光纤是通过设计光子晶体光纤的微结构来获得大模场单模面积的一种新型特种光纤，其纤芯密度大为降低，有效地抑制了久难解决的热光问题。

我们设计了八角排列光子晶体光纤(O-PCF)并采用有效面积法研究其模式截止特性。图1(a)和(b)分别为二阶模有效面积和基模有效面积随波长的变化关系。通过计算不同结构O-PCF和六角排列光子晶体光

收稿日期：2008-09-23。

基金项目：国家自然基金重点项目(60637010)资助。

作者简介：牛静霞(1982-)，女，硕士研究生，主要研究方向为光子晶体光纤的制备和检测。

牛静霞,周桂耀,侯蓝田,等：光子晶体光纤在光纤激光器中的应用

纤(H-PCF)二阶模和基模的截止波长，得到了两种光纤非限制模，基模和二阶模的相位图，如图1(c)。其中介于非限制模和二阶模两条相位线之间的区域为单模传输范围，并且可以很容易看出在相同填充率时O-PCF 的单模运转区域要比H-PCF 的宽。所以通过设计灵活设计包层结构，可以很好地实现大模场面积，并且保持单模运转的光子晶体光纤。

大模面积光子晶体光纤可以承受和传输更高的激光功率，并且具有高转换效率、高亮度和高光束质量等优点；同时，利用光子晶体光纤的微结构可设计特性、可将大模面积光子晶体光纤的包层设计成高数值孔径的双包层结构。双包层结构的大模面积光子晶体光纤具有大模场面积，能够极大地降低非线性效应，而增大的数值孔径结构又能够极大地提高抽运耦合效率。掺杂稀土的双包层光子晶体光纤是由掺杂的纤芯和具有光子晶体结构的包层组成。光纤的内包层区域内含有许多规则排列的、沿轴向延伸的微小空气孔；内外包层由紧密排列的大空气孔相隔。这种光纤也很容易实现大模面积和大数值孔径内包层的设计。大的芯径尺寸增强了对泵浦光的吸收，高数值孔径内包层提高了泵浦光的耦合效率，减少了光纤的长度，从而减小了纤芯中的非线性效应。

1998年，Knight 等首次拉制出了大模面积光子晶

体光纤

[5]

。目前光子晶体光纤的模场面积可以做

1500μm 2以上，比传统单模光纤的模场面积大一个数量级。2006年3月，德国Jena 研究报导了一种新型的LMA 棒状PCF ，通过缺失光纤中心的19个空气孔形

成LMA ，掺杂纤芯直径高达60μm 2，模场面积高达

2000μm 2；实验中仅利用0.58m 这种光纤，在425W 泵

浦功率下，获得320W 连续单横模激光输出，斜率效率高达78％，相当于1m 产出激光550W 。2007年,Yuk -

ihiro Tsuchida 等[7]设计了在1.064mm 处，模场面积达1400mm 2，高阶模损耗大于1dB/m ，弯曲半径可达5cm ，光束质量因子M 2=1.15的大模面积光子晶体光纤。

2光子晶体光纤在激光器中的应用

光纤激光器由于具有结构紧凑、效率高及光束质量好等优点,成为固体激光器发展的热点。而基于光子晶体光纤的光纤激光器因其具有超大的模面积、宽带单模传输、大幅度可调的色散特性等优点，也有着更为广阔的应用前景。从2000年首台光子晶体光纤激光器问世到现在的短短几年间，各种类型的光子晶体光纤激光器等纷纷涌现。其中,由于掺稀土元素大模面积PCF 激光器解决了普通光纤激光器在激光器高功率运转时会由于纤芯能量过于密集而出现一些非线性效应并会导致光纤的损坏的问题而成为研究的重要方向。

目前报导的掺杂大模面积PCF 激光器主要有掺

Yb 3+、掺Nd 3+和掺Er 3+三种PCF 激光器。报导最多的是掺Yb 3+PCF 激光器。

(c)O-PCF 和H-PCF 非限制模，基模和二阶模相位图

(a)O-PCF 与H-PCF 二阶模有效面积随波长的变化关系

(b)O-PCF 与H-PCF 基模有效面积随波长的变化关系

图1O-PCF 与H-PCF 二阶模和基模

有效面积随波长的变化关系及相位图

牛静霞,周桂耀,侯蓝田,等：光子晶体光纤在光纤激光器中的应用

2.1传统掺Yb3+PCF激光器

2000年，英国巴斯大学演示了一种掺Yb3+的PCFL，在730nm波长以上具有GVD的PCF中首次获得激光作用[6]。该激光器具有大空气孔和小芯径的PCF，固体纤芯直径为1.6μm，掺杂区直径为0.9μm；其激射阈值小于10mW，输入功率330mW时，获得14mW的输出功率。

2001年Wadsworth等人报导了第一台大模面积掺Yb3+PCF激光器[7]。采用的泵浦光源为波长915nm 的钛宝石激光器,当泵浦光为1.03W时得到了波长1040nm处315mW的单模激光输出。同年，Furusawa 等人用波长966nm的半导体激光器泵浦一段长度约为1m的掺Yb3+PCF，得到平均输出功率为17mW，脉宽约15ps，斜率效率约75%，波长调谐范围从1030～1050nm，谱宽为0.1nm，实现了第一台掺Yb3+锁模PCF 激光器[12]。

2.2掺Yb3+双包层PCF激光器

将光子晶体光纤设计成双包层结构，可提高其对泵浦光的吸收。用厚度小于传输波长的硅条在其内包层周围悬置硅网构成空气包层，可以大大提高内包层的数值孔径。大数值孔径内包层的PCF可以较大地缩小内包层直径而维持对泵浦光的吸收不变。同时，通过提高纤芯与内包层的面积比可以提高纤芯对泵浦光的吸收，并使PCF的工作长度缩短。大模面积的设计和有效缩短吸收长度可以大大减小光纤中的非线性效应，有利于制作高功率PCF激光器。

2003年1月，Wadsworth等人报导了利用大模面积空气包层PCF研制的高功率PCF激光器，其结构为双程后向线性腔结构，最大输出功率3.9W，斜率效率30%，实现单横模运转。所采用的PCF纤芯直径为15μm，内包层数值孔径大于0.8[8]。德国耶拿的Friedrich Schiller大学和丹麦的Crystal Fiber公司根据双包层和大模场面积设计制作出大功率掺Yb3+PCFL。

2.3m长的空气包层PCFL实现了80W输出功率，斜效率为78%[9]。该双包层由一个具有六角形晶格的空气孔内泵浦芯包层和一个390nm厚、约50μm长的SiO2桥形外包层薄板构成。为了获得三角形的28μm大模场面积纤芯，在拉制光纤前插入了三根掺Yb3+的光纤棒。纤芯掺杂Al3+以增加Yb3+的溶解性，而且掺进了氟用来补偿掺杂Yb3+和A13+后纤芯折射率的增加，使掺杂后纤芯折射率接近纯硅。此外，具有类似结构的4m 长PCFL的输出功率增长到260W，并有千瓦级的输出潜力。

2004年，英国SPI制备双端泵浦12m长的双包层光纤(内NA低于0.05，芯径40μm)，输出功率1.36kW，输出激光波长在1.1μm，光束质量因子M2=1.4，光束质量接近衍射极限，斜率为83%[10]；丹麦Crystal Fibre公司制备出基于形状双折射原理研制的掺Yb3+双包层偏振PCF，得到了2.9W的偏振激光输出。其纤芯大小为3×7μm2，双折射系数为1.4×10-4。同年，英国Strathclyde 大学与丹麦Crystal Fibre A/S公司合作，首次研制出具有高偏振输出的PCFL。由于采用了不对称半导体结构，使该激光具有200:1以上的线性偏振，并获得3.7W的输出功率。

2007年，丹麦的Crystal fibre A/S公司制备出双包层偏振保持Yb3+掺杂PCF（DC-200/70-PM-Yb-ROD）。这种光纤能够做到偏振保持特性，并且其有效面积高达2000μm2，大的有效面积保证光纤比较大的脉冲吸收，吸收系数为30dB/m，其外直径高达1.7mm，大的外径保证了光纤有一个比较大的芯，也就不再受弯曲损耗的限制[11]。

2008年3月，德国Jena研究所与丹麦Crystal Fi-bre A/S公司合作报道了一种Yb3+掺杂单横模棒状PCF，这种光纤具有低非线性和内在偏振稳定的优势。基模模场面积高达2300μm2，输出功率高达163W，在谐振腔没有任何附加偏振元件的条件下偏振度大于85％，输出光束的质量M2＝1.2，单横模窗口的范围是1030～1080nm，与掺Yb3+硅光纤的增益轮廓能够很好的重叠，这种用于偏振或偏振保持的稀土掺杂双包层光纤具有迄今最大的模场面积。

近几年，国外的大模面积双包层掺Yb3+PCFL发展迅速，而国内PCF激光器的研究刚刚起步，由于PCF 研制技术等方面的限制，目前国内只限于中低功率的PCF激光器的研究。

2007年，西安光机所和四川大学使用两根单模掺Yb3+光子晶体光纤PCF1和PCF2（纤芯直径为40μm，模场面积为1000μm2）作为增益，利用自成像谐振腔技术，获得了最大相干输出功率为95.8W，耦合效率为90.2％。

2008年，河北大学和南开大学利用纤芯直径23μm、内包层直径420μm的掺Yb3+双包层PCF，基于利特罗装置中的闪耀光栅，实现了波长范围为1035.425～1111.770nm的可调谐输出。在不同的波长下，激光输出功率的平坦度为0.8dB。在12.11W的最大泵浦功率下，可以得到输出功率为3.45W的最大输出。

燕山大学红外光纤与传感研究所在国内率先进行了光子晶体光纤的研制，已设计和制造过多种特异结构和集成式微结构光纤，见图2。目前，燕山大学与天津大学和郑州大学合作，正在进行“超大功率集成式多芯微结构光纤激光器的研究”，最终目标是完成一个可以输出千瓦级的高功率光纤激光系统。所制备的掺

Yb 3+双包层大模面积光子晶体光纤的纤芯掺杂Yb 3+的浓度为2000～10000ppm 。光纤的内包层分布着5～8层空气孔，其直径d ＝2～3μm ，孔间距Λ＝7～13μm 之间。尽

可能让零色散波长在泵浦波长处，并且要设计包层中的光子带隙也有利于泵浦能量的利用。外包层为大空气孔，空气填充率超过95%，以增大和内包层的折射率差。最外层仍为玻璃材料，起支撑作用。采用此种双包层PCF 设计，可以保证多模大功率激光泵浦时能量集中在纤芯。纤芯的输出为高偏振光束，由于光束之间的互相耦合作用，使其相位保持相长相干状态，实现多光束相干输出，既具有优良光束质量，又可以很大的提高其输出功率。

3结束语

光子晶体光纤由于其灵活的光学可控性和新颖的结构特性，在实现大数值孔径和大模场面积的同时，保证单横模运转，且耐热性能好，比常规双包层光纤更适用于高功率激光器的研制。国内外高功率光子晶体光

纤激光器的最新进展，充分证明了其在高功率激光器应用中广阔前景。相信随着新的光纤材料、光纤结构的不断出现和制作工艺的日趋成熟，光子晶体光纤不但将在高功率激光器领域中的应用研究更加深入、广泛,而且也将为科研工作者提供更加广阔的想象与创新的空间。

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823.

图2燕山大学制备的几种掺Yb 3+

光子晶体光纤及纤芯结构图

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光子晶体光纤预制棒的制备方法(发明)

说明书摘要

权利要求书 1、一种发红光的高硅氧玻璃的制造方法，采用SiO2的重量百分比含量超过95%的多孔玻璃，该多孔玻璃的孔径为1nm～20nm，纳米孔占玻璃的体积为23%～33%。通过溶液的分次浸渍法，将该多孔玻璃浸入到含有活性稀土离子和惰性稀土离子以及其他过渡金属离子的溶液中，再在特定的温度制度和气氛中高温烧结而制备。 2、根据权利要求1所述的发红光的高硅氧玻璃的制造方法，其特征在于所述的溶液的溶剂为酸、水、乙醇、以及丙酮等。 3、根据权利要求2所述的稀酸为稀硝酸，稀盐酸和稀硫酸等。 4、根据权利要求1所述的发绿光的高硅氧玻璃的制造方法，其特征在于所述的活性稀土离子为铕离子。 5、根据权利要求1所述的发绿光的高硅氧玻璃的制造方法，其特征在于所述的惰性稀土离子为硝酸钇和硝酸钆。 6、根据权利要求1所述的发绿光的高硅氧玻璃的制造方法，其特征在于所述的其他过渡金属离子系指钒离子和铋离子。 7、根据权利要求1所述的分次浸渍法是指： 掺杂钒离子的过程和掺杂其他金属离子的过程分开，具体而言就是将多孔玻璃先浸入到含有钒离子的溶液中，待浸泡至少20分钟后，在135摄氏度到650摄氏度温度之间干燥后再浸入到含有铕离子，铋离子，钇离子或者钆离子的溶液中去。或者是将多孔玻璃浸入到含有铕离子，铋离子，钇离子或者钆离子的溶液中，待浸泡至少1个小时后，在350摄氏度到650摄氏度温度之间干燥后再浸入到含有钒离子的溶液中去。 8、根据权利要求1所述的温度制度，是指按照如下程序升温： 从室温到100摄氏度至200摄氏度区间，升温速率小于1摄氏度每分钟；必须保持100摄氏度至200摄氏度温度区间至少120分钟；100摄氏度到200摄氏度区间任一温度升温到600摄氏度到800摄氏度区间任一温度，升温速率小于3.5摄氏度每分钟；必须保持600摄氏度到800摄氏度温度区间任意温度至少90分钟；从600摄氏度到800摄氏度区间任一温度升温到950摄氏度，升温速率小于3.5摄氏度每分钟；必须保持950摄氏度温度至少90分钟；950摄氏度升温到1100摄氏度，升温速率小于1摄氏度每分钟；必须保持1100

光子晶体光纤设计与分析

光子晶体光纤设计与分析 摘要：光学物理学家探索的光子晶体材料应用中，光纤无疑是最具有前景的一项应用。光子晶体光纤（以下简称PCF）是一种新型光波导，具有与普通光纤截然不同的特性。这种新型光纤可以分为两个基本类型——折射率波导和带隙波导。由于横向折射率分布有很大的自由度，所以折射率波导型PCF可以设计成具有高度反常色散、非线性以及双折射等特性的光纤。关键词：PCF原理结构分析制备特性应用 正文： 一.PCF的导光原理 按导光机理来说，PCF可以分为两类：折射率导光机理和光子能隙导光机理。 1.1折射率导光机理 周期性缺陷的纤芯折射率(石英玻璃)和周期性包层折射率(空气)之间有一定差别，从而使光能够在纤芯中传播，这种 同，由于包层包含空气，所以这种机理称为改进的全内反射，这是因为空芯PCF中的小孔尺寸比传导光的波长还小的缘故[3]。 1.2光子能隙导光机理 理论上求解光波在光子晶体中的本征方程即可导出实芯和空芯PCF的传导条件，即光子能隙导光理论。如图2所示，光纤中心为空芯，虽然空芯折射率比包层石英玻璃低，但仍能保证光不折射出去，这是因为包层中的小孔点阵构成光子晶体。当小孔间距和小孔直径满足一定条件时，其光子能隙范围内就能阻止相应光传播，光被限制在中心空芯之内传输。最近有研究表明，这种PCF可传输99%以上的光能，而空间光衰减极低，光纤衰减只有标准光纤的1/2～1/4[4]。 空芯PCF光子能隙传光机理具体解释为：在空芯PCF中形成周期性的缺陷是空气，传光机理是利用包层对一定波长的光形成光子能隙，光波只能在空气芯形成的缺陷中存在和传播。虽然在空芯PCF中不能发生全内反射，包层中的小孔点阵结构起到反射镜的作用，使光在许多小孔的空气和石英玻璃界面多次发生反射。 二．PCF的结构与制作 PCF的结构一般是在石英光纤中沿径向有规律地排列着许多空气孔道，这些微小的孔道沿光纤轴线平行排列。根据其结构类型可以分为实心光纤和空心光纤。实心光纤是纤芯为石英玻璃、包层为石英玻璃中分布许多空气孔道和石英玻璃壁的组合体。空心光纤的纤芯为一条直径较大的空气孔道，包层与实心光纤类似。通过设计这些空气孔的位置、大小、间距及占空比等波长量级的特征参数，对某以波段形成带隙，从而对这一波段的光传播是实现控制。 光子晶体的制作都要经过拉伸、堆积和熔合等过程,如Knight J C等的制作方法: (1)取一根直径为30mm的石英棒,沿其轴线方向上钻一条直径为16mm的孔,随后将石英棒研磨成一个正六棱柱; (2)把该石英棒放在2000℃的光纤拉丝塔中,将它拉成直径为0.8mm的细长正六棱柱丝; (3)把正六棱柱丝切成适当长度的若干段,然后堆积成需要的晶体结构,再把它们放到拉丝塔中熔合、拉伸,使内部空气孔的间距减小到50Λm左右,形成更细的石英丝; (4)在以上工作的基础上,把上述石英丝高温拉伸,形成最后的PCF。在以上3个阶段的拉伸过程中,晶胞减少了104数量级以上,最后形成的光子晶体的孔间距在2Λm左右。PCF 沿着石英丝的轴向均匀排列着空气孔,从PCF 的横切面看,存在着周期性的二维结构。如果核心处引入一个多余的空气孔,或者在应该出现空气孔的地方由均匀硅代替,从而在光子晶体中引入一

光子晶体光纤材料

光子晶体光纤材料 光子晶体的能带结构 电子能带与光子能带 在半导体晶体中, 电子受原子周期排列所构成的周期势场的作用, 它的能谱呈带状结构由于原子的布拉格散射, 在布里渊区边界上能量变得不连续, 出现带隙, 电子被全反射在光子晶体中, 也存在类似的周期性势场, 它是由介电函数在空间的周期性变化所提供的当介电函数的变化幅度较大且变化周期与光的波长相比拟时, 介质的布拉格散射也会产生带隙, 相应于此带隙区域的那些频率的光将不能通过介质, 而是被全部反射出去由于周期结构的相似性, 普通晶体的许多概念被引入光子晶体, 如能带、能隙、能态密度、缺陷态等实际制备的光子晶体多由两种介电常数不同的物质构成, 其中低介电物质常采用空气, 因此相应于半导体的价带和导带, 在光子晶体中存在介电带和空气带。 完全光子能隙的产生 光子能隙有完全能隙与不完全能隙的区分所谓完全能隙, 是指光在整个空间的所有传播方向上都有能隙, 且每个方向上的能隙能相互重叠不完全能隙, 相应于空间各个方向上的能隙并不完全重叠, 或只在特定的方向上有能隙由于能隙产生于布里渊区的边界处,原则上完全能隙更容易出现在布里渊区是近球形的结构中。FCC是具有最接近球形布里渊区的空间周期结构。 人们对光子能带的理论计算最初是照搬电子能带的计算方法, 如平面波法和缀加平面波法等, 将光子当作标量波, 利用薛定愕方程求解一计算结果显示, 包括在内的许多结构的光子晶体都将出现光子带隙然而, 随后的研究表明, 这种

标量波近似法不仅在定量上, 甚至在定性上都与实验结果不符。由于电子是自旋为1/2的费米子, 为标量波而光子是自旋为的玻色子, 是矢量的电磁波, 两者存在着本质的区别因此, 计算光子晶体的能带结构必须在矢量波理论的框架下, 从麦克斯韦方程出发在各种理论中, 平面波展开法是应用得最普遍, 也是最成功的由于光子之间没有复杂的相互作用, 理论计算可以非常精确地预言光子晶体的性质, 对实验工作起着重要的指导作用。 能带计算表明由球形颗粒构成的结构具有很高的对称性, 对称性引起的能级简并使它只存在不完全能隙, 例为了得到具有完全能隙的光子晶体结构, 需要从两方面考虑：（1）提高提高周期性介电函数的变化幅度, 即要有高的折射率反差（2）从结构上消除对称性引起的能带简并为此, 在结构的晶胞内引入两个球形粒子构成的金刚石结构, 能产生很宽的完全带隙，通过引入非球形的晶胞颗粒也能消除能带简并从而产生完全的光子带隙。利用材料介电常数的各向异性,在FCC、BCC、SC等各种简单晶格中也将产生部分能隙, 此外, 在介电质材料中引入彼此分离的金属颗粒构成的复合光子晶体, 将具有很宽的完全能隙, 然而由于在可见光和红外波段金属材料的强烈耗散, 这种光子晶体的效率很低。 光子晶体中的缺陷能级 半导体材料的广泛应用与其掺杂特性密切相关向高纯度半导体晶体中掺杂, 禁带中会产生相应的杂质能级, 从而显著改变半导体材料的电学、光学特性类似地, 可以向光子晶体中引入杂质和缺陷, 当缺陷是由引入额外的高介电材料所至图右, 其特性类似于半导体掺杂中的施主原子, 相应的缺陷能级起始于空气带底, 并随缺陷尺寸的变化而移向介电带当缺陷是由移去部分高介电材料所至, 其特性类似于半导体掺杂中的受主原子, 相应的缺陷能级起始于介电带顶, 并随缺陷

光纤激光器的特点与应用

光纤激光器的特点与应用 光纤激光器是在EDFA技术基础上发展起来的技术。近年来，随着光纤通信系统的极大的应用和发展，超快速光电子学、非线性光学、光传感等各种领域应用的研究已得到日益重视。光纤激光器在降低阂值、振荡波长范围、波长可调谐性能等方面，已明显取得进步。它是目前光通信领域的新兴技术，它可以用于现有的通信系统，使之支持更高的传输速度，是未来高码率密集波分复用系统和未来相干光通信的基础。 1.光纤激光器工作原理 光纤激光器主要由三部分组成:由能产生光子的增益介质、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和可使激光介质处于受激状态的泵浦源装置。光纤激光器的基本结构如图1所示。 掺稀土元素的光纤放大器推动了光纤激光器的发展，因为光纤放大器可以通过适当的反馈机理形成光纤激光器。当泵浦光通过光纤中的稀土离子时，就会被稀土离子所吸收，这时吸收光子能量的稀土原子电子就会激励到较高激射能级，从而实现离子数反转。反转后的离子数就会以辐射形式从高能级转移到基态，并且释放出能量，完成受激辐射。从激发态到基态的辐射方式有两种，即自发辐射和受激辐射，其中受激辐射是一种同频率、同相位的辐射，可以形成相干性很好的激光。激光发射是受激辐射远远超过自发辐射的物理过程，为了使这种过程持续发生，必须形成离子数反转，因此要求参与过程的能级应超过两个，同时还要有泵浦源提供能量。光纤激光器实际上也可以称为是一个波长转化器，通过它可以将泵浦波长光转化为所需的激射波长光。例如掺饵光纤激光器将980nm的泵浦光进行泵浦，输出1550nm的激光。激光的输出可以是连续的，也可以是脉冲形式的。 光纤激光器有两种激射状态，三能级和四能级激射。三能级和四能级的激光原理如图2所示，泵浦(短波长高能光子)使电子从基态跃迁到高能态E4或者E3，然后通过非辐射方式跃迁过程跃迁到激光上能级E43或者E3 2，当电子进一步从激光上能级跃迁到下能级E扩或者E3，时，就会出现激光的过程。

激光20wmopa系列光纤激光器应用介绍2018.2.22

20W MOPA光纤激光器应用介绍 应用工程师：无锡创永激光刘工 2016年7月18日

20W MOPA参数表 长脉宽单脉冲能量高，热效应明显，窄脉宽单脉冲能量低，热效应弱；高频率，平均功率高，热效应明显，低频率（10KHz），平均功率低，热效应弱；低扫描速度，低填充密度，激光能量集中，热效应明显，高扫描速度，中等填充密度（），激光能量分散，热 效应弱。

固定脉宽，100%功率，频率由小增大，平均功率线性增大，直至降功率频率（4ns400KHz），降功率频率到最大频率，功率趋于稳定。 固定脉宽，100%功率，频率由小增大，峰值功率增大，直至降功率频率（4ns400KHz），降功率频率到最大频率，峰值功率呈反比例函数递减。 其他脉宽类似。 MOPA光纤激光器，脉宽可调，脉冲频率范围大，应用范围十分广泛，本文中介绍了20W MOPA光纤激光器部分常见应用，用于20W MOPA应用介绍和推广。其中不同材料参数设置有所差异，文中参数

可作为参考，如有不同之处，敬请谅解。

1. 阳极氧化铝标刻 小米手机壳阳极氧化铝标刻黑色LOGO 小米充电宝阳极氧化铝标刻白色LOGO 阳极氧化铝上标刻黑色二维码，显微镜下可扫描 2. 304不锈钢标刻 304不锈钢打彩色LOGO 304不锈钢名牌标刻黑色 304不锈钢深雕 3.部分高分子材料标刻 公牛插座、苹果手机数据线等某些白色高分子材料标刻深色 PA66+、PE等某些黑色高分子材料标刻浅色 4. 电子器件标刻 电解电容标记黑色参数 PCB板标刻白色二维码和参数 电镀电子器件标刻 IC芯片等电子器件参数标刻 5. 漆剥除 汽车、电脑、手机等透光件漆剥除 亚克力瓶、橡胶按键表面漆剥除 电脑铝制外壳导通处漆剥除 6. 铜制器件标刻 黄铜件标记白色尺寸参数 7. 微弧氧化铝合金标刻黑色名牌 8. 碳钢轴承标记黑色参数 9. 铝箔、锡箔、铜箔切割

光纤激光器工作原理及发展

光纤激光器的工作原理及其发展前景 1 引言 光纤激光器于1963年发明，到20世纪80年代末第一批商用光纤激光器面市，经历了20多年的发展历程。光纤激光器被人们视为一种超高速光通信用放大器。光纤激光器技术在高速率大容量波分复用光纤通信系统、高精度光纤传感技术和大功率激光等方面呈现出广阔的应用前景和巨大的技术优势。光纤激光器有很多独特优点，比如：激光阈值低、高增益、良好的散热、可调谐参数多、宽的吸收和辐射以及与其他光纤设备兼容、体积小等。近年来光纤激光器的输出功率得到迅速提高。已达到10—100 kW。作为工业用激光器,现已成为输出功率最高的激光器。光纤激光器的技术研究受到世界各国的普遍重视，已成为国际学术界的热门前沿研究课题。其应用领域也已从目前最为成熟的光纤通讯网络方面迅速地向其他更为广阔的激光应用领域扩展。本文简要介绍了光纤激光器的结构、工作原理、分类、特点及其研究进展，最后对光纤激光器的发展前景进行了展望。 2 光纤激光器的结构及工作原理 2.1光纤激光器的结构 和传统的固体、气体激光器一样。光纤激光器基本也是由泵浦源、增益介质、谐振腔三个基本的要素组成。泵浦源一般采用高功率半导体激光器(LD)，增益介质为稀土掺杂光纤或普通非线性光纤，谐振腔可以由光纤光栅等光学反馈元件构成各种直线型谐振腔，也可以用耦合器构成各种环形谐振腔泵浦光经适当的光学系统耦合进入增益光纤，增益光纤在吸收泵浦光后形成粒子数反转或非线性增益并产生自发辐射所产生的自发辐射光经受激放大和谐振腔的选模作用后．最终形成稳定激光输出。图1为典型的光纤激光器的基本构型。 增益介质为掺稀土离子的光纤芯，掺杂光纤夹在2个仔细选择的反射镜之间．从而构成F—P谐振器。泵浦光束从第1个反射镜入射到稀土掺杂光纤中．激射输出光从第2个反射镜输出来。 2.2 光纤激光器的工作原理 掺稀土元素的光纤放大器促进了光纤激光器的发展，因为光纤放大器可以通过适当的反馈机理形成光纤激光器。当泵浦光通过光纤中的稀土离子时．就会被稀土离子所吸收。这时吸收光子能量的稀土原子电子就会激励到较高激射能级，从而实现离子数反转，反转后的离子数就会以辐射形式从高能级转移到基态，并且释放出能量，完成受激辐射。从激发态到基态的辐射方式有2种：自发辐射和受激辐射。其中，受激辐射是一种同频率、同相位的辐射，可

《光子晶体光纤在光纤通信中的应用与展望》

调研报告 课程：光纤通信 学院：电气工程学院 班级： 14级电子专业02班 学号： 20144470220 姓名：郑浩

光子晶体光纤(PCF)在光纤通信中的应用与展望 郑浩 （南华大学电气工程学院，湖南衡阳） 摘要：光纤是光纤通信系统中的传光媒质，开发性能优异、独特的新型光纤是实现更远距离光通信的重要发展方向。本文将侧重三个方面，先着重介绍光子晶体光纤的导光原理及传输特性，再介绍光子晶体光纤的各个发展节点中的重要成果和突破，最后是对光子晶体光纤的发展前景做出的总结和评价。 关键词：光纤通信; 光子晶体;光子晶体光纤;传输特性 1 引言 光子晶体光纤(PCF)因为其灵活的色散裁剪、完美的抗弯曲特性、良好的非线性等新颖特性，一经提出便广受关注。1960年，华人科学家高锟对于光纤的低损耗的可实现性所做的论述，是开启以光纤通信为主的光通信时代的一把钥匙，所以可以说光通信的广泛使用正是有赖于光纤技术的不断进步，而研发出新型光纤或提高现有光纤的品质一直以来都是光通信领域的重点。光子晶体光纤正是传统光纤的替换选择之一。 光子晶体这一概念最早由E.Yablonovitch与S. John分别提出，光子晶体就是将不同介电常数的介质材料在一维、二维或三维空间组成具有光波长量级的折射率周期性变化的结构材料[1]。1991 年，Russell首次提出了光子晶体光纤的概念。光子晶体光纤是一种由单一介质(石英玻璃、塑料等)构成，并且在二维的方向上呈现周期性紧密排列(如周期性六角形等)、而在三维空间(光纤轴向)基本保持不变的波长量级空气孔所构成的微结构包层的新型光纤[2]。光子晶体光纤(PCF)根据光纤的结构不同，又称为多孔光纤(HF)或微结构光纤(MOF)。根据导光的机制的不同，可以将光子晶体光纤分为折射率引导型光子晶体光纤和光子带隙型光子晶体光纤，本文将主要介绍后者。尽管光子晶体光纤具有传统光纤无可比拟的新特性，但受限于理论模型的精确度，尤其是生产工艺与单位价格。本综述中所引用的所有文献截止时间为2017年9月。 2 原理与特点分析 2.1 PCF的结构 按光纤结构的不同，光子晶体光纤可分为空心光纤和实心光纤。其中空心光纤是将石英玻璃毛细管以周期性规律排列在石英玻璃管周围的光纤；而实心光纤则是将石英玻璃毛细管以周期性规律排列在石英玻璃棒周围的光纤。PCF 也是使用传统光纤的熔融拉丝方法拉制而成。光子晶体光纤的剖面是按照周期性点阵排列的。这种与波长大小相当的周期性点阵就是PCF的“晶格”。 2.2 PCF的导光机理[3] 普通光纤是利用掺杂方式来获得光波导结构, 从而实现光纤的光传输性能的要求。而光子晶体光纤的导光机理可分为两类：折射率导光机理和光子能隙导光机制。 折射率导光机理是指，周期性缺陷的纤芯折射率(石英玻璃)和周期性包层折射率之间有一定的差别, 从而使光能够在纤芯中传播, 所以这种结构的

论光子晶体光纤技术的现状和发展

论光子晶体光纤技术的现状和发展 摘要: 光子晶体光纤，又称多孔光纤或微结构光纤，以其独特的光学特性和灵活的设计成为近年来的热门研究课题。光子晶体光纤在外观上和传统的普通单模光纤非常相似，但微观上光子晶体光纤的横截面完全不同。近年来，国内外的很多大学和科研单位都在积极开展光子晶体光纤的研究工作。本文阐述了PCF的一些独特光学性质、制作技术及其一些重要应用，介绍了PCF的发展以及最新成果。关键词:光子晶体,光子晶体光纤,非线性 1 引言 1987年Yabnolovitch 在讨论如何抑制自发辐射时提出了光子晶体这一新概念。几乎同时，John 在讨论光子局域时也独立提出。如果将不同介电常数的介电材料构成周期结构，电磁波在其中传播时由于布拉格散射，电磁波会受到调制而形成能带结构，这种能带结构叫做光子能带。光子能带之间可能出现带隙，即光子带隙。具有光子带隙的周期性介电结构就是光子晶体，或叫做光子带隙材料，也有人把它叫做电磁晶体。 光子晶体光纤（photonic crystal fiber，PCF），又称多孔光纤或微结构光纤，以其独特的光学特性和灵活的设计成为近年来的热门研究课题。这类光纤是由在纤芯周围沿着轴向规则排列微小空气孔构成，通过这些微小空气孔对光的约束，实现光的传导。独特的波导结构，灵活的制作方法，使得PCF与常规光纤相比具

有许多奇异的特性，有效地扩展和增加了光纤的应用领域[1]。在光纤激光器这一领域内，PCF经专门设计可具有大模面积且保持无限单模的特性，有效地克服了常规光纤的设计缺陷。以这种具有新颖波导结构和特性的光纤作为有源掺杂的载体，并把双包层概念引入到光子晶体光纤中，将使光纤激光器的某些性能有显著改善。近年来，国内外的很多大学和科研单位都在积极开展光子晶体光纤激光器的研究工作[2]。目前，国外输出功率达到几百瓦的光子晶体光纤激光器已有报道。本文阐述了PCF的一些独特光学性质、制作技术及其理论研究方法，介绍了PCF 的发展以及最新成果。 2 光子晶体光纤概述 2.1 光子晶体光纤导光原理 光子晶体光纤的概念基于光子晶体，按其传导机制可分为带隙型光子晶体光纤（PBG-PCF）和折射率引导型光子晶体光纤（TIR-PCF）两类[3]。 带隙型光子晶体光纤是一种具有石英-空气光子晶体包层的空芯石英光纤，其包层横截面的折射率具有规则的周期分布，通过包层光子晶体的布拉格衍射来限制光在纤芯中传播的在满足布拉格条件时出现光子带隙，对应波长的光不能在包层中传播，而只能限制在纤芯中传播，见图2-1（a）。 折射率引导型光子晶体光纤的导光机制与传统光纤类似，包层由石英-空气周期介质构成，中心为SiO2构成的实芯缺陷。由于纤芯折射率高于包层平均折射率，光波在纤芯中依靠全内反射传播。由于包层含有气孔，与传统光纤的实芯熔融硅包层不同，因而这种导光机制叫做改进的全内反射，见图2-1（b）

光纤激光器的分类

光纤激光器的分类 光纤激光器种类很多，根据其激射机理、器件结构和输出激光特性的不同可以有多种不同的分类方式。根据目前光纤激光器技术的发展情况，其分类方式和相应的激光器类型主要有以下几种： （1）按增益介质分类为： a）晶体光纤激光器。工作物质是激光晶体光纤，主要有红宝石单晶光纤激光器和Nd3+:YAG单晶光纤激光器等。 b）非线性光学型光纤激光器。主要有受激喇曼散射光纤激光器和受激布里渊散射光纤激光器。 c）稀土类掺杂光纤激光器。向光纤中掺杂稀土类元素离子使之激活，（Nd3+、Er3+、Yb3+、Tm3+等，基质可以是石英玻璃、氟化锆玻璃、单晶）而制成光纤激光器。 d）塑料光纤激光器。向塑料光纤芯部或包层内掺入激光染料而制成光纤激光器。 （2）按谐振腔结构分类为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）按光纤结构分类为单包层光纤激光器、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）按输出激光特性分类为连续光纤激光器和脉冲光纤激光器，其中脉冲光纤激光器根据其脉冲形成原理又可分为调Q光纤激光器（脉冲宽度为ns量级）和锁模光纤激光器（脉冲宽度为ps或fs量级）。 （5）根据激光输出波长数目可分为单波长光纤激光器和多波长光纤激光器。 （6）根据激光输出波长的可调谐特性分为可调谐单波长激光器，可调谐多波长激光器。 （7）按激光输出波长的波段分类为S-波段（1460~1530 nm）、C-波段（1530~1565 nm）、L-波段（1565~1610 nm）。 （8）按照是否锁模，可以分为：连续光激光器和锁模激光器。通常的多波长激光器属于连续光激光器。 按照锁模器件而言，可以分为被动锁模激光器和主动锁模激光器。 其中被动锁模激光器又有: 等效/假饱和吸收体：非线性旋转锁模激光器（8字型，NOLM和NPR） 真饱和吸收体： SESAM或者纳米材料（碳纳米管或者石墨烯）。

光纤激光器的原理及应用

光纤激光器的原理及应用 张洪英 哈尔滨工程大学理学院 摘要：由于在光通信、光数据存储、传感技术、医学等领域的广泛应用，近几年来光纤激光器发展十分迅速，且拥有体积小、重量轻、检测分辨率高、灵敏度高、测温范围宽、保密性好、抗电磁干扰能力强、抗腐蚀性强等明显优势。本文简要介绍了光纤激光器的基本结构、工作原理及特性，并对目前几种光纤激光器发展现状及特点做了分析，总结了光纤激光器的发展趋势。 关键词：光纤激光器原理种类特点发展趋势 1引言 对掺杂光纤作增益介质的光纤激光器的研究20世纪60年代，斯尼泽(Snitzer)于1963年报道了在玻璃基质中掺激活钕离子(Nd3+)所制成的光纤激光器。20世纪70年代以来，人们在光纤制备技术以及光纤激光器的泵浦与谐振腔结构的探索方面取得了较大进展。而在20世纪80年代中期英国南安普顿大学掺饵(EI3+)光纤的突破，使光纤激光器更具实用性，显示出十分诱人的应用前景[1]。 与传统的固体、气体激光器相比，光纤激光器具有许多独特的优越性，例如光束质量好，体积小，重量轻，免维护，风冷却，易于操作，运行成本低，可在工业化环境下长期使用；而且加工精度高，速度快，寿命长，省能源，尤其可以智能化，自动化，柔性好[2-3]。因此，它已经在许多领域取代了传统的Y AG、CO2激光器等。 光纤激光器的输出波长范围在400~3400nm之间,可应用于：光学数据存储、光学通信、传感技术、光谱和医学应用等多种领域。目前发展较为迅速的掺光纤激光器、光纤光栅激光器、窄线宽可调谐光纤激光器以及高功率的双包层光纤激光器。 2光纤激光器的基本结构与工作原理 2.1光纤激光器的基本结构 光纤激光器主要由三部分组成：由能产生光子的增益介质、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和可使激光介质处于受激状态的泵浦源装置。光纤激光器的基本结构如图2.1所示。

光纤激光器论文

激光器件与技术期中论文 光纤激光器浅谈浅谈光纤激光器以及我国光纤激光器研究现状

摘要： 光纤激光器作为光源在光通信领域已得到广泛应用，而随着大功率双保层光纤激光器的出现，其应用正向着激光加工、激光测距、激光雷达、激光艺术成像、激光防伪和生物医疗等更广阔的领域迅速扩展。本文以下内容概述了光纤激光器的原理、特点、应用及其发展前景。 关键词：光纤激光器应用扩展发展前景 abstract: Fiber laser as a light source in the field of optical communication has been widely used, and as the dual-protection layer of high-power fiber lasers appear, its application is toward to the laser processing, laser ranging, laser radar, laser art of imaging, security and bio-medical laser rapid expansion of a wider area. The following article outlines the principles of fiber lasers, characteristics, applications and prospects for development. Keywords: fiber laser applications development prospects.

高功率IPG光纤激光器应用简介

高功率IPG光纤激光器应用简介 一、IPG光纤激光器简介 1.光纤激光器简介 光纤激光器是指用掺稀土元素玻璃光纤作为增益介质的激光器，光纤激光器可在光纤放大器的基础上开发出来：在泵浦光的作用下光纤内极易形成高功率密度，造成激光工作物质的激光能级“粒子数反转”，当适当加入正反馈回路（构成谐振腔）便可形成激光振荡输出。 2.光纤激光器的优势 首先是使用成本低，光纤激光器替代了不稳定或高维修成本的传统激光器。其次，光纤激光的柔性导光系统，非常容易与机器人或多维工作台集成。第三，光纤激光器体积小，重量轻，工作位置可移动。第四，光纤激光器可以达到前所未有的大功率（至五万瓦级）。第五，在工业应用上比传统激光器表现更优越。它有适用于金属加工的最佳波长和最佳的光束质量，而且光纤激光器在每米焊接和切割上的费用最低。第六，一器多机，即一个激光器通过光纤分光成多路多台工作。第七，免维护，使用寿命长。最后，由于其极高的稳定性，大大降低了运行中对激光质量监控的要求。简单来说就是高功率下的极好光束质量，高光束质量下的极好电光效率，高功率高光束质量下的极小体积、可移动性和柔性。 3.IPG简介 全球最大的光纤激光制造商IPG Photonics由Valentin Gapontsev博士于1991年创建，总部设在美国东部麻省。IPG在德国、美国、俄罗斯和意大利设有生产、研发基地，并在全球设有销售和服务网点，覆盖美国、英国、欧洲、印度、日本、韩国、新加坡和中国，并于2006年在美国纳斯达克上市。 十八年来，IPG致力于纵向合成，所有的核心配件均为IPG研发、生产和拥有，同时也是唯一一个能为客户提供高性价比的光纤和半导体激光器的厂家。 高功率是IPG的优势。全世界已有上千台IPG的高功率（>1KW）光纤激光器在汽车制造、船舶制造、海上平台和石油管道、航空航天和技术加工等工业领域中得以应用。在日本，我们向丰田、三菱、住友在内的客户售出了数百台IPG的大功率光纤激光器。这些激光器的成功应用，说明了IPG光纤激光已成熟，且成为制造业的技术工具之一。依近期国内各厂家、院校、集成商对IPG光纤激光器大量的订单来看，光纤激光在中国市场广泛应用的局面会很快到来，尤其是在金属加工（切割、焊接、熔覆、快速成型等）方面。 二、高功率光纤激光应用领域 1.激光焊接领域的应用 光纤激光器的光束质量好，连续功率大，适用于深熔焊和浅表热导焊。连续激光通过调制可提供激光脉冲，从而获得高峰值功率和低平均功率，适用于需要低热输入要求的焊接。由于高功率激光的调制频率高达1万赫兹，因而能够提高脉冲焊接的产能。光纤输送方式使激光能够灵活地集成在传统焊钳、振镜头、机器人和远程焊接系统内。无论采用何种光束输送方式，光纤激光器都具有无可比拟的性能。典型的点焊应用包括依靠振镜头传送光束，从而完成剃须刀片和硬盘挠曲的焊接，从而充分地利用光纤激光器的脉冲功能。光纤激光器的光斑小，焦距长，因而远距离激光焊接的能力大大提高。1-2米的工作间距与传统机器人相比使工作区域提高了数倍，配备光纤激光器的远程焊接工位包括车门焊接、多点焊接和整个车身框架的搭接焊接。光纤激光器焊接的其它例子包括传动部件全熔焊、船用厚钢板深熔焊、电池组密封焊接、高压密封等等。图1展示了光纤激光焊接的效果。

光子晶体光纤基本特性及其应用研究[S](精)

光子晶体光纤基本特性及其应用研究[S] 英文题名 The Basic Characteristic and the Applications Study of Photonic Crystal Fibers 专业凝聚态物理关键词光子晶体光纤; 多极法; 色散; 有效模场面积; 非线性特性; 双折射; 英文关键词 Photonic crystal fibers; Multipole method; Chromatic dispersion; Effective model field area; Nonlinearity; Double refraction; 中文摘要光子晶体光纤是一种新型的光纤,由于它具有普通光纤所无法比拟的结构设计和光学特性,在近几年成为光纤研究领域的热点。本文介绍了光子晶体光纤的研究背景及发展现状,分析了它的结构特性,并列举了一些不同结构的光子晶体光纤,简单介绍了它的两种导光原理和制备方法,以及在各个方面的应用。设计了两种结构的光子晶体光纤,并对它们的基本特性进行了数值研究。论文所做的主要工作如下: 首先,对几种数值模拟光子晶体光纤特性的理论方法进行了介绍和对比,系统介绍了多极法的原理、方程以及适用条件,突出了多极法的特点和优势并选择多极法作为本文的主要研究方法。其次,采用多极法对实芯六角形光子晶体光纤的色散、有效模场面积与结构参数的关系进行了研究。得到如下结论:通过调节空气孔直径和包层空气孔间距的大小,改变空气孔填充介质的折射率,可以有效地控制光子晶体光纤的色散特性和有效模场面积。再次,设计了一种具有双折射的光子晶体光纤。数值研究发现:通过调节空气孔直径、包层空气孔间距的大小以及x和y方向的结构的不对称性,可以有效地调节光子晶体光纤的双折射特性,使双折射效应显著增强,甚至可以达到比普通光纤高出一个数量级的结果。这些结论为... 英文摘要 Photonic Crystal Fiber(PCF)is a new type of optical fiber. Because of its special structure design and optical properties, PCF has been a focus in optical fiber area in recent years. This paper introduces the research background and current development of PCF, analyzes its two kinds of transmission principle and manufacture ,as well as its application in various aspects.In this paper, it has designed two kinds of structures of PCF,and calculated some basic characteristic of PCF as well.The original jobs in ... 摘要 4-5 Abstract 5-6 第1章绪论 11- 25 1.1 引言 11 1.2 光子晶体简介 11-13 1.3 光子晶体光纤的导光原理 13-16 1.3.1 带隙型光子晶体光纤 13- 15 1.3.2 折射率引导型光子晶体光纤 15-16 1.4 光子晶体光纤基本特性 16-20 1.4.1 无截止单模性质 16- 18 1.4.2 色散特性 18 1.4.3 非线性特性 18-19 1.4.4 双折射特性 19-20 1.5 光子晶体光纤的发展现状及应用前景分析 20-23 1.5.1 光子晶体光纤研究现状 20-22 1.5.2 光子晶体光纤的应用前景分析 22- 23 1.6 本课题的研究目标及实现方法 23-25 第2章光子晶体光纤的研究方法 25-37 2.1 引言 25 2.2 几种光子晶体光纤的研究方法简介 25-28 2.2.1 有效折射率方法 25- 26 2.2.2 平面波法 26 2.2.3 Galerkin 方法 26 2.2.4 有限差分法 26-27 2.2.5 超元胞晶格方法 27-28 2.2.6 光束传播法 28 2.3 多极法

光纤激光器的设计及应用

光纤激光器的设计及应用 过去，光纤激光器广泛应用于电信产业领域，可使高质量单模低功率系统的平均无故障时间达到约25年，确保只要通信技术安装之后，就可以一劳永逸，根本不用为其担心了。随着上世纪90年代末电信市场的崩溃，光纤激光器制造商已将工作重心转向满足工业制造、军事、医疗以及航天领域的需求。从电信向其他产业的这一转变需要相应的高低功率激光技术，重点要满足一定的操作和性能目标，从而占据价值数十亿激光材料处理市场的一部分份额。目前市场上销售的各种光纤激光器技术种类之多令人吃惊，可满足各种工业应用的需求。功率级小于200W的低功率单模系统正在微处理标记和医疗应用中得到越来越多的采用，同时该技术也在向高功率级方向快速发展，不会损坏光纤。此外，其还为激光材料处理应用开辟了新的天地。 各厂商均推出了光纤激光器系统和元件。GSI推出的商业产品系列的输出功率高达200W，明年可达2千瓦，而IPG的产品输出功率则小于10kW。IMRA、Spectra- Physics Inc、Synchronous Inc及Optigain Inc等制造商主要经营低功率和短脉冲领域。显然，单模光纤激光器已率先占据了其它低功率激光器技术的一部分市场份额，与现有的CO2和灯泵浦Nd:YAG技术竞争。本文将重点讨论高功率光纤激光器技术的近期发展，并探讨现有相关技术标准将为当今对技术不断提出更高要求的制造产业带来何种新机遇。 光纤激光器设计 高功率光纤激光器小巧可靠，在光束质量和功率转换效率（大约20％）方面优于灯泵浦Nd:YAG激光。光纤激光器含有一个长光纤激光器腔（约12米），沿整个长度方向分配泵浦能量。高效率可以减少热管理问题，而余热可以沿整条光纤消散。大部分掺稀土硅光纤激光器都是由输出分别约为1550nm与1060nm的Er或Yb掺质物组成。与1550nm输出相比，1060nm输出时可实现更高的效率。横电磁模分布由纤芯的导波特性控制。宽度为数十微米

光纤激光器技术及其研究进展

中文核心期刊 光纤激光器技术及其研究进展武建芬，陈根祥 （北京交通大学光波所，北京１０００４４） 摘要：简要介绍了光纤激光器的基本原理、分类及特点，并对几种具有良好应用前景的热门光纤激光器的结构、原理和工作特性进行了较详细介绍，最后对未来光纤激光器技术的发展和应用前景作了展望。 关键词：双包层光纤激光器；多波长光纤激光器；锁模光纤激光器 中图分类号：ＴＮ２４８文献标志码：Ａ １引言 由于光纤激光器技术在高速率大容量波分复用光纤通信系统、高精度光纤传感技术和大功率激光等方面呈现出广阔的应用前景和巨大的技术优势，近年来受到了来自电子信息、工业加工和国防科技等研究开发领域的高度关注。符合光纤激光器发展需要的各种光纤结构、光纤材料特别是各种稀土掺杂光纤材料和新的激光泵浦技术均得到了快速的发展，极大地推动了光纤激光器技术的进步［１］。特别是２０世纪９０年代后期，随着半导体激光器及掺杂光纤制作技术的日益成熟，光纤激光器的研究取得了重大进展。输出功率、波长调谐范围等性能得到了显著提高。由于具有与光纤系统完全匹配的独特优点，光纤激光器可以方便地应用于各种光纤通信和光纤传感系统，尤其是可实现稳定多波长激光输出的光纤激光器非常适合应用于密集波分复用（ＤＷＤＭ）光纤系统。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、拉曼光纤激光器等几个方面。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技术较详细地介绍了其工作原理及国内外近几年的新发展，最后对未来光纤激光器的发展和应用前景进行了分析与展望。２光纤激光器的基本原理、分类及特点 ２．１光纤激光器的基本原理 和传统的固体、气体激光器一样，光纤激光器基本也是由泵浦源、增益介质、谐振腔三个基本的要素组成。泵浦源一般采用高功率半导体激光器（ＬＤ），增益介质为稀土掺杂光纤或普通非线性光纤，谐振腔可以由光纤光栅等光学反馈元件构成各种直线型谐振腔，也可以用耦合器构成各种环形谐振腔。泵浦光经适当的光学系统耦合进入增益光纤，增益光纤在吸收泵浦光后形成粒子数反转或非线性增益并产生自发辐射。所产生的自发辐射光经受激放大和谐振腔的选模作用后，最终形成稳定激光输出。 ２．２光纤激光器的分类 光纤激光器种类很多，根据其激射机理、器件结构和输出激光特性的不同可以有多种不同的分类方式。根据目前光纤激光器技术的发展情况，其分类方式和相应的激光器类型主要有以下几种： （１）按增益介质分类稀土离子掺杂光纤激光器（Ｎｄ３＋、Ｅｒ３＋、Ｙｂ３＋、Ｔｍ３＋等，基质可以是石英玻璃、氟化锆玻璃、单晶），非线性效应光纤激光器（利用光纤中的ＳＲＳ、ＳＢＳ非线性效应产生波长可调谐的激光）。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。 （３）按光纤结构分类单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。 ２．３光纤激光器的显著特点 由于光纤激光器在增益介质和器件结构等方面的特点，与传统的激光技术相比，光纤激光器在很多方面显示出独特的优点。这些优点可以归纳为以下几个主要的方面［２，３］： 收稿日期：２００６－０５－１１。 基金项目：北京交通大学科技基金（２００５ＳＺ００４）项目资助；国家自然科 学基金（６０５７７０２１；６０４３７０１０）项目资助。 作者简介：武建芬（１９７５－），男，研究生，主要研究方向为光电子器件、光 纤传感和光纤激光器。 !"# 光通信技术 ２００６年第８期

光纤激光器的应用及发展

光纤激光器的应用及发展 1 引言 光纤激光器是近些年来激光领域备受关注的热点。与传统的固体、气体激光器相比，光纤激光器具有许多独特的优越性，例如光束质量好，体积小重量轻，免维护等等。因此，它在许多领域取代了传统的固体激光器。 2光纤激光器的类型 按照光纤材料的种类，光纤激光器可分成一下几种类型： 一：晶体光纤激光器工作物质是激光晶体光纤，主要有红宝石单晶光纤激光器和 nd3+：YAG单晶光纤激光器等； 二：非线性光学型光纤激光器主要有受激喇曼散射光纤激光器和受激布里渊散射光纤激光器； 三：稀土类掺杂光纤激光器光纤的基质材料是玻璃，向光纤中掺杂稀土类元素离子使之激活，而制成光纤激光器； 四：塑料光纤激光器向塑料光纤芯部或包层内掺入激光染料而制成光纤激光器。 3光纤激光器的应用 光纤激光器十分适合在连续波或准连续波运转下放大到更高功率，来满足微电子方面的应用需求。在这些应用中，光束质量、精度以及稳定性至关重要。在许多应用中，控制、改变激光加工能量和功率输入，对加工过程起着决定性作用。 在标刻方面的应用：脉冲光纤激光器以其优良的光束质量，可靠性，最长的免维护时间，最高的整体电光转换效率，脉冲重复频率，最小的体积，无须水冷的最简单、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的唯一选择。 在材料处理的应用：光纤激光器的材料处理是基于材料吸收激光能量的部位被加热的热处理过程。1um左右波长的激光光能很容易被金属、塑料及陶瓷材料吸收。 在工业钻孔中的应用：激光器通过脉冲波形控制实现了很大的灵活性，能在钻孔应用中大显身手。更大的振幅意味着更大的峰值功率。波形WFO提供的更高的峰值功率和脉冲能量，能产生更大直径的孔。改变频率，峰值功率和脉冲能量随之改变,孔径也随之变化。因此微米级的不同孔径，能通过激光器的频率和脉冲特征加以改变。 在岩石及泥土材料处理中的应用：光纤激光在施工现场的应用方面明显优于任何其它种类的激光，包括在开矿、隧道开凿、切割和岩石及混凝土钻孔等方面。光纤激光能够通过很长的光纤将足够的能量传输到远程的目标。光纤激光超高的电光转换效率（30%），良好的光束质量，车载机动性及设备的稳定性和免维护性等特点使得它在此类应用领域里成为最佳的选择。 在材料弯曲的应用：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在激光加热区域的可塑性变形，永久性改变目标工件的曲率。研究发现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。 4光纤激光器的发展趋势 第一：光纤激光器本身性能的提高：如何提高输出功率和转换效率，优化光束质量，缩短增益光纤长度，提高系统稳定性并使其更加小巧紧凑是未来光纤激光器领域研究的重点。 第二：新型光纤激光器的研制：在时域方面，具有更小占空比的超短脉冲锁模光纤激光器一直是激光领域研究的热点，高功率飞秒量级脉冲光纤激光器一直是人们长期追求的目标。在频域方面，宽带输出并可调谐的光纤激光器将成为研究热点。