光纖激光器原理 光纖激光器的應用

　　光纖激光器是指用摻稀土元素玻璃光纖作為增益介質(zhì)的激光器，光纖激光器可在光纖放大器的基礎上開發(fā)出來。接下來小編給大家介紹一下光纖激光器原理以及光纖激光器的應用。

　　光纖激光器原理

　　光纖是以SiO2為基質(zhì)材料拉成的玻璃實體纖維，其導光原理是利用光的全反射原理，即當光以大于臨界角的角度由折射率大的光密介質(zhì)入射到折射率小的光疏介質(zhì)時，將發(fā)生全反射，入射光全部反射到折射率大的光密介質(zhì)，折射率小的光疏介質(zhì)內(nèi)將沒有光透過。普通裸光纖一般由中心高折射率玻璃芯、中間低折射率硅玻璃包層和外部的加強樹脂涂層組成。光纖按傳播光波模式可分為單模光纖和多模光纖。單模光纖的芯徑較小，只能傳播一種模式的光，其模間色散較小。多模光纖的芯徑較粗，可傳播多種模式的光，但其模間色散較大。按折射率分布的情況化分，可分為階躍折射率(SI)光纖和漸變折射率(GI)光纖。

　　以稀土摻雜光纖激光器為例，摻有稀土離子的光纖芯作為增益介質(zhì)，摻雜光纖固定在兩個反射鏡間構(gòu)成諧振腔，泵浦光從M1入射到光纖中，從M2輸出激光(下圖1)。

　　當泵浦光通過光纖時，光纖中的稀土離子吸收泵浦光，其電子被激勵到較高的激發(fā)能級上，實現(xiàn)了離子數(shù)反轉(zhuǎn)。反轉(zhuǎn)后的粒子以輻射形成從高能級轉(zhuǎn)移到 基態(tài)，輸出激光。圖1的反射鏡諧振腔主要用以說明光纖激光器的原理。實際的光纖激光器可采用多種全光纖諧振腔。

　　圖2為采用2×2光纖耦合器構(gòu)成的光纖環(huán)路反射器及由此種反射器構(gòu)成的全光纖激光器，(a)表示將光纖耦合器兩輸出端口聯(lián)結(jié)成環(huán)，(b)表示與此光纖環(huán)等效的用分立光學元件構(gòu)成的光學系統(tǒng)，(c)表示兩只光纖環(huán)反射器串接一段摻稀土離子光纖，構(gòu)成全光纖型激光器。以摻Nd3+石英光纖激光器為例，應用806nm波長的AlGaAs(鋁鎵砷)半導體激光器為泵浦源，光纖激光器的激光發(fā)射波長為1064nm，泵浦閥值約470μW。

圖3

　　利用2×2光纖耦合器可以構(gòu)成光纖環(huán)形激光器。如圖3(a)所示，將光纖耦合器輸入端2聯(lián)結(jié)一段稀土摻雜光纖，再將摻雜光纖聯(lián)結(jié)耦合器輸出端4而成環(huán)。泵浦光由耦合器端1注入，經(jīng)耦合器進入光纖環(huán)而泵浦其中的稀土離子，激光在光纖環(huán)中形成并由耦合器端口3輸出。這是一種行波型激光器，光纖耦合器的耦合比越小，表示儲存在光纖環(huán)內(nèi)的能量越大，激光器的閾值也越低。典型的摻Nd3+光纖環(huán)形激光器，耦合比≤10%，利用染料激光器595nm波長的輸出進行泵浦，產(chǎn)生1 078mn的激光，閾值為幾個毫瓦。上述光纖環(huán)形激光腔的等效分立光學元件的光路安排如圖3(b)所示。

　　利用光纖中稀土離子熒光譜帶寬的特點，在上述各種激光腔內(nèi)加入波長選擇性光學元件，如光柵等，可構(gòu)成可調(diào)諧光纖激光器，典型的摻Er3+光纖激光器在1 536和1 550nm處可調(diào)諧14nm和llnm。如 圖3 光纖環(huán)形激光器示意圖 果采用特別的光纖激光腔設計，可實現(xiàn)單縱模運轉(zhuǎn)，激光線寬可小至數(shù)十兆赫，甚至達10kHz的量級。光纖激光器在腔內(nèi)加入聲光調(diào)制器，可實現(xiàn)調(diào)Q或鎖模運轉(zhuǎn)。調(diào)Q摻Er3+石英光纖激光器，脈沖寬度32ns，重復頻率800Hz，峰值功率可達120W。鎖模實驗，得到光脈沖寬度2.8ps和重復頻率810MHz的結(jié)果，可望用作孤子激光源。

　　稀土摻雜石英光纖激光器以成熟的石英光纖工藝為基礎，因而損耗低和精確的參數(shù)控制均得到保證。適當加以選擇可使光纖在泵浦波長和激射波長均工作于單模狀態(tài)，可達到高的泵浦效率，光纖的表面積與體積之比很大，散熱效果很好，因此，光纖激光器一般僅需低功率的泵浦即可實現(xiàn)連續(xù)波運轉(zhuǎn)。光纖激光器易于與各種光纖系統(tǒng)的普通光纖實現(xiàn)高效率的接續(xù)，且柔軟、細小，因此不但在光纖通信和傳感方面，而且在醫(yī)療、計測以及儀器制造等方面都有極大的應用價值。

　　光纖激光器的應用

　　光纖激光器應用范圍非常廣泛，包括激光光纖通訊、激光空間遠距通訊、工業(yè)造船、汽車制造、激光雕刻激光打標激光切割、印刷制輥、金屬非金屬鉆孔/切割/焊接(銅焊、淬水、包層以及深度焊接)、軍事國防安全、醫(yī)療器械儀器設備、大型基礎建設，作為其他激光器的泵浦源等等。