光纤激光器原理 光纤激光器的应用

　　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。接下来小编给大家介绍一下光纤激光器原理以及光纤激光器的应用。

　　光纤激光器原理

　　光纤是以SiO2为基质材料拉成的玻璃实体纤维，其导光原理是利用光的全反射原理，即当光以大于临界角的角度由折射率大的光密介质入射到折射率小的光疏介质时，将发生全反射，入射光全部反射到折射率大的光密介质，折射率小的光疏介质内将没有光透过。普通裸光纤一般由中心高折射率玻璃芯、中间低折射率硅玻璃包层和外部的加强树脂涂层组成。光纤按传播光波模式可分为单模光纤和多模光纤。单模光纤的芯径较小，只能传播一种模式的光，其模间色散较小。多模光纤的芯径较粗，可传播多种模式的光，但其模间色散较大。按折射率分布的情况化分，可分为阶跃折射率(SI)光纤和渐变折射率(GI)光纤。

　　以稀土掺杂光纤激光器为例，掺有稀土离子的光纤芯作为增益介质，掺杂光纤固定在两个反射镜间构成谐振腔，泵浦光从M1入射到光纤中，从M2输出激光(下图1)。

　　当泵浦光通过光纤时，光纤中的稀土离子吸收泵浦光，其电子被激励到较高的激发能级上，实现了离子数反转。反转后的粒子以辐射形成从高能级转移到 基态，输出激光。图1的反射镜谐振腔主要用以说明光纤激光器的原理。实际的光纤激光器可采用多种全光纤谐振腔。

　　图2为采用2×2光纤耦合器构成的光纤环路反射器及由此种反射器构成的全光纤激光器，(a)表示将光纤耦合器两输出端口联结成环，(b)表示与此光纤环等效的用分立光学元件构成的光学系统，(c)表示两只光纤环反射器串接一段掺稀土离子光纤，构成全光纤型激光器。以掺Nd3+石英光纤激光器为例，应用806nm波长的AlGaAs(铝镓砷)半导体激光器为泵浦源，光纤激光器的激光发射波长为1064nm，泵浦阀值约470μW。

图3

　　利用2×2光纤耦合器可以构成光纤环形激光器。如图3(a)所示，将光纤耦合器输入端2联结一段稀土掺杂光纤，再将掺杂光纤联结耦合器输出端4而成环。泵浦光由耦合器端1注入，经耦合器进入光纤环而泵浦其中的稀土离子，激光在光纤环中形成并由耦合器端口3输出。这是一种行波型激光器，光纤耦合器的耦合比越小，表示储存在光纤环内的能量越大，激光器的阈值也越低。典型的掺Nd3+光纤环形激光器，耦合比≤10%，利用染料激光器595nm波长的输出进行泵浦，产生1 078mn的激光，阈值为几个毫瓦。上述光纤环形激光腔的等效分立光学元件的光路安排如图3(b)所示。

　　利用光纤中稀土离子荧光谱带宽的特点，在上述各种激光腔内加入波长选择性光学元件，如光栅等，可构成可调谐光纤激光器，典型的掺Er3+光纤激光器在1 536和1 550nm处可调谐14nm和llnm。如 图3 光纤环形激光器示意图 果采用特别的光纤激光腔设计，可实现单纵模运转，激光线宽可小至数十兆赫，甚至达10kHz的量级。光纤激光器在腔内加入声光调制器，可实现调Q或锁模运转。调Q掺Er3+石英光纤激光器，脉冲宽度32ns，重复频率800Hz，峰值功率可达120W。锁模实验，得到光脉冲宽度2.8ps和重复频率810MHz的结果，可望用作孤子激光源。

　　稀土掺杂石英光纤激光器以成熟的石英光纤工艺为基础，因而损耗低和精确的参数控制均得到保证。适当加以选择可使光纤在泵浦波长和激射波长均工作于单模状态，可达到高的泵浦效率，光纤的表面积与体积之比很大，散热效果很好，因此，光纤激光器一般仅需低功率的泵浦即可实现连续波运转。光纤激光器易于与各种光纤系统的普通光纤实现高效率的接续，且柔软、细小，因此不但在光纤通信和传感方面，而且在医疗、计测以及仪器制造等方面都有极大的应用价值。

　　光纤激光器的应用

　　光纤激光器应用范围非常广泛，包括激光光纤通讯、激光空间远距通讯、工业造船、汽车制造、激光雕刻激光打标激光切割、印刷制辊、金属非金属钻孔/切割/焊接(铜焊、淬水、包层以及深度焊接)、军事国防安全、医疗器械仪器设备、大型基础建设，作为其他激光器的泵浦源等等。