对掺杂光纤作为增益介质的光纤激光器的研讨始于20世纪60年代，沈阳第一机床厂而直到80年代后期，随着光纤制造工艺与半导体激光器消费技术的日趋成熟，以及光通讯技术的迅猛开展，大功率光纤激光器范畴的研讨才获得本质性打破。由于光纤激光器以乖巧的半导体激光二极管作为泵源,以柔软的光纤作为波导和增益介质,同时可采用光纤光栅,耦合器等光纤元件,因而无需光路机械调整,构造紧凑,便于集成，其特有的全光纤构造使器件的抗电磁干扰性强，温度收缩系数小，沈阳机床配件在频域上应用WDM及光纤传感技术可完成多波长可调谐输出，在时域上分离激光锁模技术可产生简直没有啁啾的皮秒级超短变换极限光脉冲。与固体激光器和半导体激光器相比，光纤激光用具有无可比较的优点。目前光纤激光器作为光源在光通讯范畴已得到普遍应用，而随着大功率双保层光纤激光器的呈现，其应用正向着激光加工、图像显现和生物医疗等更宽广的范畴疾速扩展。沈阳第一机床厂本文以下内容概述了光纤激光器的根本构造、特性、应用及其开展前景。

1．光纤激光器构造

　　光纤激光器的根本构造与其他激光器根本相同。

　　光纤激光器主要由泵源，耦合器，掺稀土元素光纤，谐振腔等部件构成。泵源由一个或多个大功率激光二极管构成，其发出的泵浦光经特殊的泵浦构造耦合入作为增益介质的掺稀土元素光纤，泵浦波长上的光子被掺杂光纤介质吸收，构成粒子数反转，受激起射的光波经谐振腔镜的反应和振荡构成激光输出。

1.1掺稀土元素光纤

　　光纤激光器是以掺稀土元素光纤作为增益介质的，十五种稀土元素中比拟常用的有源光纤掺杂离子有Nd3+, Ho3+, Er3+, Tm3+, Yb3+等，上述几种稀土元素的泵浦波长和激射波长如下表所示。

Nd3+ Yb3+ Er3+ Tm3+ Ho3+

泵浦波长 795nm 800nm－1000nm 980nm 790nm,1260nm,1650nm 900nm1150nm

激射波长 1060nm 1340nm 1030nm－1150nm 1550nm 1.9－2μm 2μm

　　从表可看出，Yb3+具有较宽的吸收带（800nm-1000nm）和相当宽的激起带（1030nm-1150nm），因而泵源选择十分普遍而且泵浦光和激光都没有受激吸收，以掺Yb3+光纤激光器为泵源的拉曼光纤激光器可行成1.2μm-1.6μm的激光输出。掺Er3+光纤激光器的输出波长对应光通讯主要窗口1.5μm，是目前应用最普遍和技术最成熟的光纤激光器。掺Tm3+，掺Ho3+光纤激光器的输出波长在2.0μm左右，由于水分子在该波长左近有很强的中红外吸收峰，因而用该波段激光器停止手术时，激光映照部位血液疾速凝结，手术创面小，止血性好，又由于该波段激光对人眼是平安的，所以掺Tm3+，掺Ho3+光纤激光器在医疗和生物学研讨方面有普遍的应用前景。

　　近年来，为进步输出功率，沈阳第一机床厂作为大功率光纤激光器增益介质的掺稀土元素光纤多采用双包层设计，即纤芯为相应激光波长的单模掺杂光纤，内包层为折射率较低、尺寸和数值孔径与泵源输出尾纤匹配的石英资料，外包层采用折射率低于内包层的石英或聚合物资料。泵浦光耦合入光纤的内包层，在双包层光纤内全反射的过程中屡次穿过纤芯，使泵浦光被掺杂介质吸收，构成粒子数反转，产生激射波长输出。这种包层泵浦技术将有效吸收面积扩展了上百倍，大大地进步了泵浦吸收效率。目前，在双包层光纤的根底上又推出了一种新型的“M型”光纤，即在预制棒制备过程中控制稀土元素掺杂浓度的散布，使拉制后的双包层光纤纤芯折射率成M型散布。理论和实验标明这种新型光纤具有更高的泵浦吸收效率，沈阳机床配件采用M型光纤的光纤激光器只需几米长的掺杂光纤就可将泵浦能量完整吸收，而同等掺杂浓度的普通双包层光纤则需求十米至五十米。

　　关于圆形内包层的双包层光纤，由于大量螺旋光的存在，纤芯的吸收效率只要10％，因而内包层外形的设计也是进步泵浦吸收效率的关键。偏心形内包层，D形内包层，矩形内包层，六角形内包层先后被采用，实考证明，不规则、非对称性的内包层外形能使泵浦吸收效率得到有效进步。目前在实验研讨中被普遍采用的还有梅花瓣形内包层构造，此外光子晶体光纤在光纤激光器中的应用也逐步成为研讨的热点。

1.2 泵浦构造

　　泵浦构造的设计是高功率光纤激光器的一项关键技术。在初始研讨阶段端面泵浦和侧向泵浦构造被普遍采用，端面泵浦技术受包层横截面积的限制影响泵浦功率进一步进步。而侧向泵浦技术由于采用透镜准直聚焦而使系统稳定性降落，不利于适用化。

　　近年来人们在高功率光纤激光器泵浦构造方面又有一些新的探究，日本科学家Hiroshi Sekiguchi 提出“恣意外形激光器”计划，该计划将掺稀土元素光纤盘成圆盘状或圆柱状等不同外形，在光纤缝隙间填充与光纤包层同折射率的资料，泵浦光从边缘注入，这样泵浦光的吸收面积比单根双包层光纤内包层的面积大大增加，而且泵浦光屡次经过掺杂纤芯，也将使掺杂元素对泵浦光吸收愈加充沛。这种“恣意外形”的光纤激光器有望完成更高的激光功率输出。

1.3 谐振腔

　　制备适宜的光学谐振腔是高功率光纤激光器适用化的又一项关键技术。目前,高功率光纤激光器的谐振腔主要有两种，一种是采用二色镜构成谐振腔，沈阳机床配件这种办法普通需求在防震光学平台上完成，因此降低了光纤激光器的稳定性和牢靠性，不利于该产品的产业化与适用化；另一种是采用光纤光栅做谐振腔，光纤光栅是透过紫外诱导在光纤纤芯构成折射率周期性变化的低损耗器件,具有十分好的波长选择特性。光纤光栅的采用，简化了激光器的构造窄化了线宽，同时进步了激光器的信噪比和牢靠性，沈阳第一机床厂进而进步了光束质量。另外，采用光纤光栅做谐振腔能够将泵浦源的尾纤与增益光纤有机地熔接为一体，防止了用二色镜和透镜组提供激光反应带来的损耗，从而降低了光纤激光器的阈值，进步了输出激光的斜率效率。依据对输出激光特性的不同请求可选择单模光纤光栅和多模光纤光栅作为谐振腔的反射镜，单模光纤光栅具有单一的反射峰值和很窄的反射半宽，对应的激光输出为单模，光束质量高，单色性好，但输出功率较低；多模光纤光栅是在多模突变折射率光纤上经过紫外诱导写入的光纤光栅，能反射多个波长，反射半宽较宽，应用多模光纤光栅做腔镜的光纤激光器输出光束为多模，可完成高功率的激光输出，但输出光光束质量较差。

2．光纤激光器特性及应用

　　光纤激光器以光纤作为波导介质，耦合效率高，易构成高功率密度，散热效果好，无需庞大的制冷系统，具有高转换效率，低阈值，光束质量好和窄线宽等优点。光纤激光器经过掺杂不同的稀土离子可完成380nm－3900nm波段范围的激光输出，经过光纤光栅谐振腔的调理可完成波长选择且可调谐。美国IPG公司已于2004年8月在德国建成10KW掺Yb双包层光纤激光器，该激光器输出光束质量为11.5mm.mrad，输出功率1KW～10KW连续可调，最大功率密度30MW/cm2,输出尾纤直径200μm，这是迄今为止已报道的最高光纤激光器功率输出。而英国，俄罗斯，日本，德国等国也在光纤激光器范畴获得许多重要成果。其中英国南安普顿大学研制的1KW单模光纤激光器坚持着单模光纤激光器最高输出的纪录。

　　与传统的固体激光器相比，沈阳机床配件光纤激光器体积小，寿命长，易于系统集成，在高温高压，高震动，高冲击的恶劣环境中皆可正常运转，其输出光谱具有更高的可调谐性和选择性。下表是大功率光纤激光器与传统固体激光器的性能参数比拟。

CO2激光器 Lp-ND-YAG激光器 DP-YAG激光器 掺Yb3+双包层光纤激光器

波长/μm 1.06 1.06 1.06 1－1.2

电光效率/% 5－10 1－3 5－10 12－20

功率/KW 1－20 0.5－5 0.5－10 0－10

光束参数/ mm.mrad >100 50－80 25－50 1－20

石英光纤传输 否 能 能 能

维修周期/Khr 1－2 <1 3－5 40－50

　　可看出，高功率光纤激光器的各项性能指标远优于固体激光器，因而光纤激光器被分歧以为是有可能全面替代固体激光器的新一代产品。

　　由于其波段涵盖了1.3μm和1.5μm两个主要通讯窗口，因而光纤激光器在光通讯范畴具有不可替代的位置，大功率双包层光纤激光器的研制胜利使其在激光加工范畴的市场需求也呈疾速扩展的趋向。光纤激光器在激光加工范畴的范围和所需性能详细如下：软焊和烧结：50－500W；聚合物和复合资料切割：200W－1kW；去激活：300W－1kW；快速印刷和打印：20W－1kW；金属淬火和涂敷：2－20kW；玻璃和硅切割：500 W－2kW。此外，随着紫外光纤光栅写入和包层泵浦技术的开展，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能够作为适用的全固化光源而普遍应用于数据存储，彩色显现，医学荧光诊断。远红外波长输出的光纤激光器由于其构造乖巧紧凑，能量和波长可调谐等优点，也在激光医疗和生物工程等范畴得到应用。

3．前景与瞻望

　　目前，光纤激光器可完成800nm－2100nm波段的激光输出，最大功率已到达万瓦量级，应用也从光通讯扩展到激光加工、激光打标、图像显现、生物工程、医疗卫生等范畴。将来光纤激光器的开展趋向将表现在以下几个方面：（1）光纤激光器自身性能的进步：沈阳第一机床厂如何进步输出功率和转换效率，优化光束质量，缩短增益光纤长度，进步系统稳定性并使其愈加小巧紧凑将是将来光纤激光器范畴研讨的重点。（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不断是激光范畴研讨的热点，高功率飞秒量级脉冲光纤激光器不断是人们长期追求的目的，该范畴研讨的打破不只能够给光通讯时分复用（OTDM）提供理想的光源，而且能够有效带动激光加工、沈阳机床配件激光打标及激光加密等相关产业的开展。在频域方面，宽带输出并可调谐的光纤激光器将成为研讨热点，近来，一种采用ZEBLAN资料（Zr、Ba、La、Al、Nd）为激光介质的非线性光纤激光器惹起了人们的注重，该激光用具有相当宽的带宽和低损耗，可完成波长上转换几个波段，被专家誉为下一代通讯资料，如能完成大范围消费将会在激光打印和大屏幕显现范畴产生几十亿美圆的市场。能够预见，随着相关技术的完善，光纤激光器将向更宽广的范畴开展，并有可能成为替代固体激光器和半导体激光器的新一代光源，构成一个新兴的产业。