物理学专业毕业论文（设计）-光纤激光器的研究进展.doc

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1、教学单位 物理与电子信息工程系 学生学号 07036124 编 号 本科毕业论文（设计） 题 目 光纤激光器的研究进展 班 级 07 级 学生姓名 刘秀秀 专业名称 物理学 指导教师 李书婷 2011 年 6 月 15 日 1 光纤激光器的研究进展光纤激光器的研究进展 【摘要摘要】光纤激光器作为一种新型特殊器件具有与传统激光器无法比拟的优越 特性，如寿命长、模式好、体积小、免冷却等。最近几十年来受到了来自电子 信息、工业加工、生物医学工程、国防科技等领域的高度青睐。文章概述了光 纤激光器的工作原理、分类及优点，对当前主要研究方向和研究现状作了详细 介绍，最后提出了光纤激光器产业化的方向和前景。

2、 【关键词关键词】光纤激光器 稀土掺杂 包层 超短脉冲 The research progress of fiber lasers Abstract: Fiber lasers ,as a new type of specially fiber ,own lots of optical properties that the traditional fiber does not do ,such as long life ,good mode ,compactness etc. In recent decades, fiber lasers have received increasingly

3、 intensive attention in the application of electronic information, industry processing , biomedicine engineering and national defense technology . The typical principle of fiber laser is illuminate and research progress about fiber laser are particular introduced . Finally, the future developmental

4、trends for laser fiber are discussed. Key worods: fiber lasers rare earth doped clad ultrashort pulse 2 目目 录录 1 引言 1 2 光纤激光器的工作原理、分类及优点2 2.1 基本工作原理.2 2.2 分类.3 2.3 优势.4 3 光纤激光器主要研究进展5 3.1 高功率光纤激光器.5 3.2 双包层光纤激光器.6 3.3 窄线宽光纤激光器.7 3.4 多波长光纤激光器.7 3.5 超短脉冲光纤激光器.8 3.6 拉曼光纤激光器（RFL）.9 3.7 锁模光纤激光器.10 3.8 光子晶

5、体光纤（PCF）激光器10 4 国内光纤激光器的发展.11 5 光纤激光器的主要应用领域.12 5.1 军事领域.12 5.2 工业领域.13 5.3 生物医学工程领域.13 5.4 通信领域.13 6 光纤激光器的发展前景.14 7 结束语.15 参考文献.15 致 谢20 1 1 1 引言引言 光纤激光器的研发始于 20 世纪 60 年代，美国光学公司（American optical company）的 E.snizer 等人提出了光纤在激光器方面的设想，不久之后就采用掺 杂的玻璃纤维的方法研制出第一台光纤激光器，这一历史标志着激光器的 3 Nd 研究进入一个崭新的阶段。80 年代中期英

6、国南安普顿（Southampton）大学的研 究人员在光纤中掺入杂质，从此以后光纤激光器的研究进展进入了实用化 3 Er 阶段。特别是 20 世纪 90 年代后期，伴随着半导体激光器的掺杂光纤制作技 1 术日益成熟，光纤激光器的研究取得了重大进展，尤其是输出功率，波长调谐 范围性能得到了巨大突破。鉴于光纤激光器具有与光纤系统完全匹配的独特优 点，所以它可以更便捷地应用于各种光纤系统和光纤传感系统，特别是可实现 稳定多波长激光输出的光纤激光器非常适用于密集波分复用（DWDM）光纤系 统，极大地推动了光纤激光器技术的进步。目前国内外对于光纤激光器的研 2 究方向和热点主要集中在高功率光纤激光器，高

7、功率光子晶体光纤（PCF）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，双包层光纤激光器，锁模光纤激光器等方面。因此，它在通 信、军事、生物医疗和光信息处理等领域将有广阔的应用前景，所以备受世界 各国工作者的青睐，现已成为国际学术界的热门研究对象。 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 纤激光器和国内外近几年的发展作了详细介绍，最后对光纤激光器的应用领域 及前景作了分析。 2 2 光纤激光器的工作原理、分类及优点光纤激光器的工作原理、分类及优点 2.12.1 基本工作原理基本工作原理 图 1 所示为典型光纤激光器的基本结构

8、。 2 泵浦源 隔 离 器 反射镜 1（或光栅） 掺杂光栅 反射镜 2（或光栅） 激光输出 图图 1 1 光纤激光器基本结构光纤激光器基本结构 典型光纤激光器主要有三部分组成：一是产生光子的增益介质，二是使光 子得到反馈并在增益介质中进行谐振放大的光学谐振腔，三是激发增益介质的 泵浦源。其中介质是掺杂稀土离子的纤芯。 当泵浦光从反射镜 1（或光栅 1）入射到掺杂光纤芯中时，会被所掺杂的稀 土离子吸收。吸收了光子能量的稀土离子会发生能级跃迁，实现“粒子数反转” 反转后的粒子经弛豫后会以辐射形式再从激发态跃迁回到基态，并释放出能量， 从反射镜 2（或光栅 2）输出。 3 E 激发态 E 激发态 1

9、 3 3 3 E 泵浦 E 泵浦 激光 2 3 1 4 基态 激光 E 2 4 E E 基态 3 3 3 4 图图 2 2 三能级和四能级激光能级图三能级和四能级激光能级图 光纤激光器又有两种激射状态，三能级和四能级激射。三能级和四能级的 激光能级图如图 2 所示，泵浦（短波长高能光子）使电子从基态跃迁到高能态 E 或者 E ，然后通过非辐射方式跃迁到激光上能级 E 或者 E ，当电子进一 4 4 3 3 3 4 2 3 步从激光上能级跃迁到下能级 E 或者 E 时，就出现激光过程。 2 4 1 3 4 3 2.22.2 分类分类 光纤激光器的分类按照激射机制、器件结构、输出激光特性的不同可以

10、有 很多种，以目前光纤激光器技术的发展状况来分，具体有以下这些类型： 5 （1）按增益介质分类：稀土离子掺杂光纤激光器（主要是三价元素，如 Er,Nd,Tm,Ho,Yb,Dy,Ev,Dr等） ，非线性效应光纤激光器 33333333 Sm 3 （如光纤受激喇曼散射激光器、光纤受激布里渊散射激光器） ，单晶光纤激光器， 塑料光纤激光器。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 光纤激光器等。 （3）按光线结构分类：单包层和双包层光纤激光器、光子晶

11、体光纤激光器、 特种光纤激光器。 （4）按输出激光的时域类型分类 ：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（14601530nm） 、C-波段（15301565nm） 、 L-波段（15651610nm） ，可调谐单波长激光器，可调谐多波长激光器。 2.32.3 优势优势 光纤激光器以光纤作为激光器工作物质，所以与其它激光器相比具有很多 优 势，具体如下： 67 （1）增益介质长。光纤激光器能方便地延长其长度以使抽运光被充分吸收。 这一性能使光纤激光器能在低抽运功率下运转，能量转换效率高。 （2）较高的泵浦效率。通过对掺杂光纤的结构、掺杂浓度

12、、泵浦光强度和 泵浦方式的适当设计，使得激光器的泵浦效率得到明显的提高。例如采用双包 4 层光纤结构，使用低亮度，廉价的多模 LD 泵浦光源就可实现超过 60%的光转 换效率。 （3）具有很大的“表面积/体积比” 。这样它的散热效果好，其工作物质的 热负荷小，环境温度在-20 +70 之间，不需要庞大的制冷系统，只需简单的 风冷即可。 （4）可在恶劣的环境下工作。遇到高冲击、高震动、高温度和有灰尘的条 件下均可正常运转，不受外界干扰。 （5）耦合效率高，利于兼容。光纤在光纤激光器中既是增益介质，又是传 输介质，因此有利于与其它光纤元件的兼容，可方便地应用于光纤通信和传感 系统。 （6）易实现单

13、模、单频运转和超短脉冲（fs 级） 。 （7）外形紧凑，易于集成。由于光纤具有较好的柔韧性，所以光纤激光器 可以做的相当小巧灵活，便于系统间集成，性价比高。 （8）激光器可在很宽光谱范围内（4553500nm）设计与运行，应用范围广 泛。 3 3 光纤激光器主要研究进展光纤激光器主要研究进展 光纤激光器作为第三代激光技术的代表，各国科学家对于它的研究方向主 要集中于高功率光纤激光器，光子晶体光纤（PCF）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，双包 层光纤激光器，锁模光纤激光器等方面。 3.13.1 高功率光纤激光器高功率光纤激光器 高功率光纤激

14、光器因具有效率高、体积小、冷却温度低和光束质量好等优 势，所以在空间激光通信、工业加工、生物医疗工程，国防科技上有相当重要 的应用价值。 高功率光纤激光器发展的主要内容之一是如何提升单根光纤激光的输出功 率。1999 年美国的 V.Dominic 等人用 4 个 45W 的半导体激光器从光纤两端 8 5 泵浦，获得了 110W 的单模连续激光输出。可是当时由于受到光纤和泵浦源技 术的限制，在随后的时间里，单光纤激光输出功率没有获得突破性进展。2003 年，随着大规模光纤技术和高功率泵浦源技术的发展，光纤激光器的输出功率 快速提高。后来，英国南安普顿大学报道了 1.36KW 连续波光纤激光器。

15、9 2004 年美国的 IPG 公司研制出了 10 万瓦的光纤激光器和 1.7 万瓦的工业光纤 激光器生产线。至此以后，出现了各种新型的高功率光纤激光器，如光纤碟形 激光器（Disk Laser） ，光子晶体双包层光纤激光器，多纤芯双包层光纤激光器。 单根光纤激光器的连续输出功率已超过 1KW，具备了实用化的能力，从而大大 扩大了光纤激光器的应用领域。 由于单根光纤输出的激光功率毕竟有限，于是科学家想到利用激光光束组 合技术实现输出功率的提高。据报道，其研究方法有两种：一是相干光束组合， 二是非相干光束组合。因光纤激光器的相干组合技术可以将多路激光束相干叠 加，在提升输出总功率的同时，保持了光

16、纤激光器良好的光束质量，所以该技 术成为了高功率光纤激光器研究中很有前途的发展方向。 10 3.23.2 双包层光纤激光器双包层光纤激光器 为了提高光纤激光器的输出功率，就要提高泵浦抽运光的吸收效率。1988 年 Snitzer 等人提出了双包层的泵浦技术使得这一想法成为可能。90 年代人 11 们主要集中精力研究 Nd 掺杂的双包层光纤激光器，但由于 Nd 的吸收带非常窄， 对泵浦源的波长稳定性和精度要求较高，而 Yb 具有很宽的吸收带，还有无受 激态吸收，能级结构简单等优点，至此，人们认识到 Yb 掺杂光纤激光器的发 展前景。到了 21 世纪 Yb 掺杂双包层光纤激光器获得了巨大的突破，已

17、经出 12 现商用功率达几百甚至几千瓦的光纤激光器。双包层光纤激光器是一种新型的 光纤激光器，其优点在于不需要将泵浦能量直接耦合到模场直径相对较小的光 纤中去，而是采用成本低、大模场（多模） 、高功率的半导体激光器作为泵浦源。 双包层光纤激光器将多个光纤激光器的输出合并以提高功率，以满足工业和军 事需要。 13 双包层光纤由纤芯、内包层、外包层和保护层四个层次组成，结构如图 3 所示。内包层的作用：一是包绕纤芯，将激光辐射限制在纤芯（纤芯中掺入稀 6 土元素铒、镱、铷等，与单模光纤纤芯一样，具有很大的折射率，可以用来传 输单模信号光）内；二是将泵浦光耦合到内包层，使之在内包层和外包层之间 来回

18、反射，多次穿过单模纤芯而被吸收，这样在纤芯中传播光的比例就会增加。 它的光源是有多个多模激光二极管（LD）组成,外包层的折射率最小。 14 1 4 3 2 激光 泵浦源 图图 3 3 双包层光纤激光器结构图双包层光纤激光器结构图 3.33.3 窄线宽光纤激光器窄线宽光纤激光器 15 窄线宽光纤激光器以线宽窄，低噪声等优点广泛应用于光纤传感、光纤遥 感、高精度光谱及光纤通信领域。它的实现方法一般是在光纤纤芯里写入 Bragg,作为激光腔镜从而完成激光的窄带输出。这是 1991 年 Ball 等人第一次在 掺铒光纤中采用 Bragg 反射镜（FBR） ，1550nm 激光的单模输出的基础上又一 次

19、飞跃。 窄线宽光纤激光器的早期研究工作主要集中于固定波长的窄线宽光纤激光 器上，振荡波长由固定波长响应的滤波器控制，如布拉格光栅，其反射中心波 长由光栅周期决定，反射宽带由光栅长度决定。除了通过对光纤光栅施加应力 或温差来改变振荡波长外，还可以通过旋转光栅、调节腔内标准具角度，利用 声光滤波器、电调液晶标准具等方式来实现。 窄线宽光纤激光器常见的腔体结构有线性腔结构和环形腔结构。其中，线 性腔结构简单，工作稳定，但是由于驻波场存在空间烧孔效应，不利于实现单 频率运转，常常把腔体变短，从而导致抽运转化效率低。而采用环形腔结构的 窄线宽光纤激光器则可以消除空间烧孔效应，并实现单频运转，其腔体较长，

20、 增益高。2007 年光库通讯采用美国核心专利技术和高浓度铒/镱离子共掺有源光 纤，向市场推出了一款超窄线宽光纤激光器，其腔体长度小于 5cm，线宽小于 3KHz，高达 150mW 的输出功率。 7 3.43.4 多波长光纤激光器多波长光纤激光器 多波长光纤激光器在 DWDM 光纤通信系统、分布式多波长光纤传感系统、 光学测试、光谱学等方面有着广泛应用的前景。多波长光纤激光器是利用光 16 纤光栅反馈和滤波机理实现多波长选择的。 多波长光纤激光器是近年来才开始研究的。2002 年 R.Slavik 等人报道了 17 一种在腔内放置声光频移器的多波长掺铒光纤环形激光器，其在室温条件下实 现了 C

21、 波段的 15381548nm 之间 13 条谱线或者 15431560nm 之间 18 条谱线 输出。2003 年 K.cheng 等人报道了一种室温条件下超低损耗的全光纤多频激 18 光器，实现了 18 通道输出。2006 年，Y.GLiu 等人在常规掺 Er环形激光器 3 上实现了室温下多波长激光的输出。2007 年，Yan M 等人利用级联的长周期 19 光栅做谐振腔滤波器得到 1556.0nm,1558.6nm 和 1561.2nm 三个波段的激光输出 。 20 多波长 EDFL 具有较窄的增益频谱，限制了更多波长的激光振荡，DWDM 技术的日益成熟对多波长激光器的性能也提出了很高的

22、要求。但由于增益介质 和设计仍是制作高性能、低成本多波长光纤激光器的关键，所以如何改善目前 多波长 EDFL 中 EDF 过长而产生的对环境敏感等因素和如何使得输出波长更加 稳定且易于调节，是以后多波长 EDFL 研究发展的趋势。 21 3.53.5 超短脉冲光纤激光器超短脉冲光纤激光器 超短脉冲光纤激光器也是目前光纤激光器所研究的一个方向，它主要利用 被动锁模技术。光纤激光器利用锁模原理产生脉冲使激光输出，当光纤激光器 在增益带宽内大量纵模上运转时，当每个纵模相位同步，任意相邻纵模相位差 为常数，这时就能实现锁模。光纤激光器分为主动锁模和被动锁模光纤激光器， 主动锁模调制能力限制了锁模脉冲的

23、宽度，被动锁模光纤激光器是利用光纤或 者其它光学元件的非线性光学效应实现锁模的。激光器结构简单，在一定范围 下不需要任何调制元件就可以实现自启动锁模工作。 22 2006 年，A.Polynkin 等人报道了一种新的被动锁模超短腔高平均功率皮 49 秒级短脉冲光纤激光器，获得稳定的重复率达 550MHz 的脉冲激光输出（平均 输出功率为 500775mW） 。2007 年 Sumimura 等人利用啁啾光栅做谐振腔得 23 8 到了稳定的、单模输出的飞秒锁模光纤激光器。据报道，皮秒光纤激光器现已 经突破了 100W 壁垒，并有可能成为未来高速自由空间系统的中心软件，用于 卫星，甚至行星间的通信

24、。 24 3.63.6 拉曼光纤激光器（拉曼光纤激光器（RFLRFL） 受激拉曼散射（SRS,Stimulated Raman Scattering）是光纤非线性光学中一 个很重要的非线性过程，它是由高强度的激光（超过一定阈值）与光纤介质中 的分子振动模式（光学声子）相互作用产生的一种非线性光学效应。 当前 RFL 的主要增益介质是锗硅光纤和磷硅光纤，它们的拉曼频移分别为 440cm和 1330cm。近年来，由于 RFL 的研究进展迅速，新结构、新用途的 11 激光器相继出现，使得 RFL 各方面的性能大为提高，成为了商用产品，如 25 美国 IPG、法国 Keosys 等公司均可提供 5W

25、的拉曼放大泵浦模块，并被认为是 用于拉曼放大和远泵 EDFA 放大应用的合理光。 阿尔卡特公司在 OFC 2002 会议上曾报道了一种可重构三波长的 RFL 结构， , 得到了输出波长分别为 1427nm,1455nm 和 1480nm 的输出，其用于 C+L 波段的 拉曼放大器中。2003 年南开大学的苏红新等人报道了内腔级联 RFL 输出特 26 性的实验结果。2004 年深圳大学的杜戈果等人报道了利用国产镀膜镜作为谐 27 振腔镜实现的一级拉曼激光输出的实验结果。同年，Skubchenko 等人研制出 28 一种高功率的全光纤保偏 RFL；Abeeluck 等人利用高非线性色散位移光纤获

26、 29 得了 3.2W，超过 544nm 的超连续输出；Sim 等人在 1539nm 实现了输出 30 13.2W，转换效率为 32.5%的激光，是目前在 14001600nm 波段已报道的功率 最高的级联 RFL。 2006 年，新加坡的 G Ning 等人在环型、线型两种谐振腔中使用啁啾光纤 布 拉格光栅作为选频器件，在室温下均获得了 1550nm 波段的波长间距为 0.8nm、 各波长输出功率均衡的 10 波长拉曼光纤激光器。 31 2007 年，Y Emori 等采用 65m 高飞线性锗硅光纤作为增益介质，利用五级 级联激光器结构，用波长为 1117nm 掺镱光纤激光器的五级级联拉曼光

27、纤激光 器，在 1480nm 获得了输出功率高达 41W 的激光输出，这是目前级联拉曼光纤 9 激光器所报道的最高输出功率。 32 3.73.7 锁模光纤激光器锁模光纤激光器 采用锁模技术是产生超短脉冲实现未来高速、大容量光纤通信的一条重要 途径。由于锁模光纤激光器具有体积小、结构灵活、成本低等特点在光通信网 络、超快光谱、材料加工、非线性光学等方面应用十分广泛。光纤激光器中采 用锁模技术常分为三种：一是主动锁模，二是被动（自动）锁模，三是混合锁 模。由于主动锁模调制能力有限，限制了锁模脉冲的宽度，脉冲宽度通常为 ps 量级，被动（自动）锁模光纤激光器是利用光纤或其它元件中的非线性光学效 应实

28、现锁模的，激光器结构简单，在一定条件下不需要插入任何调制元件就可 以实现自启动锁模工作。 33 20 世纪 90 年代后期，S.T.Cundiff 等人采用可饱和布拉格反射器（SBR） 设计出锁模光纤激光器，它能产生脉宽为 400fs 的弧子脉冲输出。之后， 34 B.C.Collings 等人将可饱和布拉格反射器置于短 F-P 腔内实现了锁模输出。 35 2003 年 Avdokhin等人报道了一种全光纤结构的“8”字形腔激光器，在 36 此激光器中利用一段较短的高增益双包层掺杂 Yb光纤进行放大，应用多孔光 3 纤进行色散补偿，在 1065nm 波段实现了 850fs 的锁模脉冲输出。 2

29、004 年 Lin 等人报道了用 Fabry-Perot 半导体激光器作为损耗调制器的有 理谐波锁模激光器，利用工作在阈值以下的半导体激光器取代调制器，从而实 现主动锁模。 37 2006 年，周晓芳等人设计了一种基于非线性偏振旋转效应的被动锁模激 38 光器，它用光纤线圈结构作为偏振控制器，利用光纤的弹光效应改变光线中的 双折射，从而控制光纤中光波的偏振态。 3.83.8 光子晶体光纤（光子晶体光纤（PCFPCF）激光器）激光器 光子晶体激光器主要体现在其独特的光学性质和巧妙地设计，它主要利用 了光子晶体光纤的零色散点选择近红外和可见光区域这一特点制成。与传统的 光纤相比较，光子晶体光纤（P

30、CF）具有如下特点：无限单模特性、超连续性、 高双折性、可控色散特性和大模场面积。 10 2000 年，Wadsworth 首次报道了光子晶体光纤激光器（PCFL） ，2001 年， 英国巴斯大学 Wadsworth 等人实现了双包层 PCF 结构，双包层光子 PCF 掺杂 离子为 Yb，利用 20W 光纤耦合二级管阵列泵浦该光纤，获得了 3.9W 的输出 3 功率，斜率效率为 21%，实现了单横模运转。2003 年，德国和丹麦的研究 39 人员分别报道了波长为 1070nm、输出功率达到 80W、斜率效率为 78%的高功 率 PCFL 激光器。2005 年德国 IPHT Jena 研究所制备

31、出输出功率为 1.53KW 40 的单模双包层 PCF，光束质量小于 3,纤芯直径 31,输出功率为m 1530W。2007 年，丹麦 PhotonicCrystal Fibre 公司制备出双包层镱掺杂光纤， 41 单根光纤的连续输出功率达 2.5KW。2008 年，国内西安光机所 Kailiang 42 Duan 等人报道了最大连续输出功率为 95.8W，耦合效率为 90.2%的激光输出。 43 4 4 国内光纤激光器的发展国内光纤激光器的发展 我国光纤激光器的研制并不落后，已经有好几个单位实现了连续 200W 以 上的输出功率。 2002 年南开大学报道了掺杂 Yb双包层光纤激光器中得到了

32、 4.8ns 的自调 3 Q 脉冲输出和混合调 Q 双包层光纤激光器中得到峰值功率大于 8KW，脉宽小 于 2ns 的脉冲输出。 2003 年南开大学报道了利用脉冲泵浦获得 100KW 峰值功率的调 Q 脉冲， 以及得到 60nm 可调谐的调 Q 脉冲。 2003 年 11 月 20 日报道，上海科学家在激光领域取得新成果，成功开发出 输出功率达 107W 的光纤激光器。其激光器全称为“高功率掺镱双包层光纤激 光器” ，与目前已有的激光器相比它的维护费用和功率消耗都要低的多，寿命是 普通激光器的几十倍。该课题的负责人之一楼祺洪研究员告诉记者，激光打印 有着广泛的应用前景，与市民生活直接相关的如

33、食品的生产日期、防伪标识等， 若以激光打印代替现在的油墨打印清晰度高、永不褪色 、难以仿冒、利于环保， 具有国际流行的新趋势。上海科学家研制的光纤激光器使光纤激光器输出功率 有迈进了一个新台阶，最大输出功率达 107W，已经遥遥领先于全国同行。 11 2004 年，南开大学又报道了连续泵浦 206KW 峰值功率的调 Q 脉冲。 2004 年 12 月 3 日，烽火通信报道，继推出激光输出功率达 100W 以上的 双包层掺镱光纤后，经过艰苦的攻关再传佳绩，将该类新型光纤的输出功率成 功提到 440W，达到国际领先水平。 2005 年西安光电机所在第 17 界激光会议上，报道了在连续输出，光子晶

34、体光纤激光器方面得到了 98W 的激光输出。 44 2007 年，赵卫等人报道了一种被动锁模掺 Yb“8”字形腔光纤激光器。 453 在此光纤激光器中应用了一个非 3dB 耦合器，并用衍射光栅对腔内色散进行补 偿。 从整体来看，尽管我国目前与国外研究光纤激光器的水平还存在着一定的差距，但是 落后时间并不长，只要我国光纤器件的研制生产单位积极开展相关产品的研制开发工作， 我们是能够在光纤激光器的研制生产方面站在国际前列的。 5 5 光纤激光器的主要应用领域光纤激光器的主要应用领域 46 随着光纤激光技术的迅速发展和逐渐成熟，光纤激光器的优势已被人们所 认识，市场需求和应用也进一步扩大。几乎包括了

35、国民经济的所有领域，被誉 为“制造系统共同的加工手段” 。具体有： 5.15.1 军事领域军事领域 窄线宽光纤激光器是一种在军事领域中应用非常广泛的光纤激光器，尤其 是高精度激光目标指示和超远距离测距技术。目前一般的商业激光测距仪的测 量距离最远为 1020km，这是由于它的动态范围和测量敏感度限制所致，其性 能无法满足军方 ISR（情报、监视、侦查）综合平台的需求。基于频率调制连 续波长技术原理，光库通讯研制出一种 1550nm 超窄线宽光纤激光器。能广泛 应用于几百公里的激光目标指示和激光测距，从而大大降低了搭建 ISR 平台的 成本。 目前，高功率双包层光纤激光器具有效率高、尺寸小、重量

36、轻、成本低等 优点，也是军事国防激光武器发展中最具有潜力的方向。 12 研制激光武器一直是军事领域中的焦点，据报道，2006 年美国海军提出 在 10 年内研制出一种 100KW，机载光纤激光器吊舱。另据美国军事与航空航 天电子网报道，美国空军人员于 2007 年开始探索先进光纤激光器系统的创新技 术与方法。所以，光纤激光器有可能成为未来武器级固态激光器系统的候选方 案。 5.25.2 工业领域工业领域 脉冲光纤激光器以其优良的光束质量，可靠性，最长的面维护时间，最高 的整体电光转换效率，脉冲重复频率，最小的体积，无需水冷的最简单、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

37、刻方面唯一的 选择。 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激光加热区域的可塑性变形，永久性改变目标工件的曲率， 使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。 随着光纤激光器功率的不断攀升，光纤激光器在工业切割方面得以被规模 化应用。比如用快速斩波的连续光纤激光器微切割不锈钢动脉管，而且光纤激 光器现已用在汽车和船舶 IC 封装等产业中。 5.35.3 生物医学工程领域生物医学工程领域 随着紫外光线光栅写入和包层泵浦技术的发展，输出波段在紫光、蓝光、 绿光、红光及近红外光的波长上转换光纤激光器已可以作

38、为实用的全固化光源 而广泛应用于数据存储，彩色显示，医学荧光诊断，皮肤美容等。随着光纤激 光器进一步的研究，将会更加广泛的应用于医学诊断（如细胞影像） 、药检、 DNA 排序、细胞分裂以及蛋白质分析方面。 5.45.4 通信领域通信领域 光纤激光器以其独特的优势带动了光纤通信的发展，是实现光弧子通信的 关键技术，它不仅可以实现连续的激光输出，而且还可以产生皮秒甚至飞秒的 超短脉冲，能够实现高速、大容量和高质量的信息传输，为实现全光通信系统 提供保障。 13 6 6 光纤激光器的发展前景光纤激光器的发展前景 由于光纤激光器以光纤作为波导介质，耦合效率高，易形成高功率密度， 散热效果好，无需庞大的

39、制冷系统，具有高转换效率、低阈值、光束质量好、 窄线快和设计灵活等优点，已经成为世界各国研究更深层次激光技术的重要发 展方向。目前，采用多种结构和掺杂方式的光纤增益介质、灵活的侧向多模泵 浦方式使得单根光纤激光器的输出功率即可达到 1KW 的量级。而且其应 47 用范围也从光通信扩展到工业生产、国防军事、生物医疗等方面，备受各国政 府、产业界和科学研究机构的重视，可以说光纤激光器是目前光电子技术领域 研究的热门项目之一。 未来光纤激光器的发展趋势主要体现在以下两个方面： 48 （1）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

40、小巧精致是未来光纤 激光器领域研究的重点。高性能的单波长、多波长光纤激光器在光纤传感、光 通信等领域的应用前景十分可观。 （2）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光纤激光器领域的热点，高功率飞秒量级光纤激光器一直 是人们长期追求的目标，该领域研究的突破不仅可以给光通信时分复用 （OTDM）提供理想的光源，而且可以有效带动激光加工、激光打标及激光加 密等相关产业的发展。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。近来一种采用 ZEBLAN 材料（Zr、Ba、La、Al、Nd）为激光介质的 非线性光纤激光器引起了人们的重视，该激光器具有相

41、当宽的带宽和低损耗， 可实现波长上转换几个波段，被专家誉为下一代通信材料。2003 年激光器的生 产价值是 1.41 亿美元，到 2008 年增长到 14.71 亿美元，到后续几年如能实现大 规模生产将会在激光打印和大规模显示领域产生几十亿美元的市场份额。 7 7 结束语结束语 光纤激光器由于其价格低廉，制作灵活，结构简单，便于耦合，在各个领 14 域得到了很广泛的应用，被世界各国作为一种新型的主流器件来研究，而且在 最近几十年取得了巨大的突破。光纤激光器展现出的巨大功能和激光技术的逐 步成熟，推动了相关国民经济的发展和深刻变革。我们相信，通过各个国家的 互相合作，再结合先进的科学技术，生产出

42、更高性能，更大功率的光纤激光器 不再是梦想，不久的将来，我们会看到在整个国际科技界中涉及光纤激光器的 技术领域将会越来越多。 参考文献参考文献 1HAUS H A.Stretched-paulse Mode-locking in Fiber Ring Laser. Theoryand ExperimentJ.IEEE Journal of Quantum Electrnoics,1995,31(3);591-598. 2RICHARDSON D J, MINELLY J D,et al. Fiber laser systems shinebrightly J.Laser 15 FocusWor

43、ld, 1997,(9);87-96. 3申人升，张玉书，杜国同. 光纤激光器研究进展 J.半导体光电,2009,30（1）;1-4. 4李松柏. 光纤激光器的研究进展 J.重庆科技学院学报（自然科学报） ，2008,8,10（4）; 98-99. 5武建芬,陈根祥. 光纤激光器技术及其研究进展 J.光通信技术,2006,8;49-50. 6武建芬,陈根祥. 光纤激光器技术及其研究进展 J.光通信技术,2006,8;49-50. 7卢卫民，张立永，吴金东.光纤激光器的研究进展及趋势 J.光通信，2008,8;35. 8Domminic V ,M accormack S, Waarts R,et

44、 al. 110W fiber laserJ. Electron.Lett.,1999,35(14);1158-1160. 9Jeong Y, Sahu J K, Payne D N, et al. Ytterbiumdoped large core fiber laser with 1.36 kW continuous wave output powerJ. Opt.Express, 2004,12 (25);6088-6092. 10申人升，张玉书，杜国同. 光纤激光器研究进展 J.半导体光电,2009,30（1）;1-4. 11Snitzer,et al. Double clad off

45、set core Nd fiber ,proc.coaf. optical fiber sensors, 1988,PD5,533- 536. 12B. Urquhart, review of rare earth doped fiber lasers and amplifiers, IEEE proceedings,135(6),1988,385-406. 13李松柏. 光纤激光器的研究进展 J.重庆科技学院学报（自然科学报） ，2008,8,10（4）; 98-99. 14刘颂豪，光纤激光器的新进展J.光电子技术与信息，2003,16（1）;1-8. 15申人升，张玉书，杜国同. 光纤激光

46、器研究进展 J.半导体光电,2009,30（1）;1-4. 16Han Y G, Gillhwan K, Lee J H ,et al.lasing wavelength and spacing switch able multi wavelength fiber laser from 1510 to 1620 nmJ.IEEE Photon. Technol. Lett.,2005,17(5):989-991. 16 17孙文凤，姚勇.多波长掺铒光纤激光器的研究进展J.光电子技术与信息，2004,17（5）: 10-14. 18Cheng K,Peng J,Jin T, et al. All

47、-fiber room temperature multi-frequency laser with ultra low cavity lossC/ OFC 2003,1:26. 19Liu Y G,Dong X Y, Shum P, et al. Stable room temperature multi-wavelength lasing realization in ordinary erbium-doped fiber loop lasersJ. Optics Express,2006,14(20):9293-9298. 20Yan M,Luo SY, Zhan L, et al. T

48、riple wavelength switchable erbium-doped fiber laser with cascaded asymmetric exposure long-period fiber gratingsJ.Optics Express,2007,15(7): 3685-3691. 21田大伟，董波，胡曙阳，等.多波长掺铒光纤激光器技术研究J. 激光与光电子学进展， 2005,42（9）: 6-10. 22申人升，张玉书，杜国同. 光纤激光器研究进展 J.半导体光电,2009,30（1）;1-4. 23Sumimura K, Yoshida H, Fujita H, et al. Femtosecond mode locked Yb fiber laser for single mode fiber chirped pulse amplification system J. Laser Phys.,2007