光纤激光器的工作原理

光纤激光器的原理特性~

由于光纤激光器采用的工作介质具有光纤的形式，其特性要受到光纤渡导性质的影响。进入到光纤中的泵浦光一般具有多个模式，而信号光电可能具有多个模式，不同的泵浦模式对不同的信号模式产生不同的影响，使得光纤激光器和放大器的分析比较复杂，在很多情况下难以得到解析解，不得不借助于数值计算。光纤中的掺杂分布对光纤激光器也产生很大的影响，为了使介质具有增益特性，将工作离子（即杂质）掺杂进光纤。一般情况下，工作离子在纤芯中均匀分布．但不同模式的泵浦光在光纤中的分布是非均匀的。因而，为了提高泵浦效率，应该尽量使离子分布和泵浦能量的分布相重合。在对光纤激光器进行分析时，除了基于前面讨论的激光器的一般原理，还要考虑其自身特点，引入不同的模型和采用特殊的分析方法，以达到最好的分析效果。　　和传统的固体、气体激光器一样，光纤激光器也是由泵浦源、增益介质、谐振腔三个基本要素组成。泵浦源一般采用高功率半导体激光器，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发射。所产生的自发发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。

脉冲光纤激光器是脉冲激光器中的一种，典型光纤激光器的基本结构主要由三部分组成：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激发增益介质的泵浦源。其中，增益介质一般为掺杂稀土离子的纤芯，谐振腔一般由成对光纤光栅制作而成，泵浦源一般为半导体激光器。而针对光纤激光器采用锁模技术、调Q技术和脉冲种子源放大技术就能使之成为脉冲光纤激光器。

光纤激光器的工作原理如下：

由泵浦源发出的泵浦光通过一面反射镜耦合进入增益介质中，由于增益介质为掺稀土元素光纤，因此泵浦光被吸收，吸收了光子能量的稀土离子发生能级跃迁并实现粒子数反转，反转后的粒子经过谐振腔，由激发态跃迁回基态，释放能量，并形成稳定的激光输出。

光纤激光器的工作原理主要基于光纤激光器的特殊结构。激光器是由工作物质、泵浦源和谐振腔三部分组成，具体作用如下：

1、增益光纤为产生光子的增益介质。

2、抽运光的作用是作为外部能量使增益介质达到粒子数反转，即泵浦源。

3、光学谐振腔由两个反射镜组成，作用是使光子得到反馈并在工作介质中得到放大。

扩展资料：

光纤激光器的特点：

1、光束质量好。

光纤的波导结构决定了光纤激光器易于获得单横模输出，且受外界因素影响很小，能够实现高亮度的激光输出。

2、高效率。

光纤激光器通过选择发射波长和掺杂稀土元素吸收特性相匹配的半导体激光器为泵浦源，可以实现很高的光一光转化效率。对于掺镱的高功率光纤激光器，一般选择915纳米或975纳米的半导体激光器，荧光寿命较长，能够有效储存能量以实现高功率运作。

3、散热特性好。

光纤激光器是采用细长的掺杂稀土元素光纤作为激光增益介质的，其表面积和体积比非常大，约为固体块状激光器的1000倍，在散热能力方面具有天然优势。

中低功率情况下无需对光纤进行特殊冷却，高功率情况下采用水冷散热，也可以有效避免固体激光器中常见的由于热效应引起的光束质量下降及效率下降。

4、结构紧凑，可靠性高。

由于光纤激光器采用细小而柔软的光纤作为激光增益介质，有利于压缩体积、节约成本。

泵浦源也是采用体积小、易于模块化的半导体激光器，商业化产品一般可带尾纤输出，结合光纤布拉格光栅等光纤化的器件，只要将这些器件相互熔接即可实现全光纤化，对环境扰动免疫能力高，具有很高的稳定性，可节省维护时间和费用。

参考资料来源：百度百科-光纤激光器

工作原理：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最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。

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。

扩展资料：

按照光纤材料的种类，光纤激光器可分为：

1、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。

2、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。

3、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。

4、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。

参考资料来源：百度百科--光纤激光器

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最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（参见右图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。

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。

2 冲，每单个脉冲有一个持续时间，比如说 10 ns(纳秒)，一般称作单个脉冲宽度，或单个脉冲持续时间，我们用 t 表示。这种激光器可以发出一连串脉冲，比如，1 秒钟发出 10 个脉冲，或者有的就发出 一个脉冲。这时，我们就说脉冲重复(频)率前者为 10，后者为 1，那么，1 秒钟发出 10 个脉冲，它的脉冲重复周期为 0.1 秒，而 1 秒钟发出 1 个脉冲，那么，它的脉冲重复周期为 1 秒，我们用 T 表示这个脉冲重复周期。 如果单个脉冲的能量为 E， 那么 E/T 称作脉冲激光器的平均功率，这是在一个周期内的平均值。例如， E = 50 mJ(毫焦)， T = 0.1 秒， 那么， 平均功率 P平均 = 50 mJ/0.1 s = 500 mW。 如果用 E 除以 t，即有激光输出的这段时间内的功率，一般称作峰值功率(peak power)，例如，在前面的例子中 E = 50 mJ, t = 10 ns, P峰值 = 50 ×10^(-3)/[10×10^(-9)] = 5×10^6 W = 5 MW(兆瓦)，由于脉冲宽度 t 很小，它的峰值功率很大。 脉冲能量E=1mj 脉宽t=100ns 重复频率20-80K 脉冲持续时间T=1s/2k=？秒 平均功率P=E/T=0.001J/0.00005s=20W P峰值功率=E/t
激光的分类： 激光按波段分，可分为可见光、红外、紫外、X光、多波长可调谐 ，目前工业用红外及紫外激光。例如CO2激光器10.64um红外
3 激光, 氪灯泵浦YAG激光器1.064um红外激光, 氙灯泵浦YAG激光器1.064um红外激光, 半导体侧面/端面泵浦激光器1.064um红外激光。 激光器的种类分，可分为固体、气体、液体、半导体和染料等几种类型： （ 1 ）固体激光器一般小而坚固，脉冲辐射功率较高，应用范围较广泛。如：Nd:YAG激光器。Nd（钕）是一种稀土元素，YAG代表钇铝石榴石，晶体结构与红宝石相似。 （ 2 ）半导体激光器可以通过外加的电场、磁场、温度、压力等改变激光的波长，能将电能直接转换为激光能，所以发展迅速。 （ 3 ）气体激光器以气体为工作物质(主要为惰性气体)，单色性和相干性较好，激光波长可达数千种，应用广泛。气体激光器结构简单、造价低廉、操作方便。在工农业、医学、精密测量、全息技术等方面应用广泛。气体激光器有电能、热能、化学能、光能、核能等多种激励方式。 （ 4 ）以液体染料为工作物质的染料激光器于 1966 年问世，广泛应用于各种科学研究领域。现在已发现的能产生激光的染料，大约在 500 种左右。这些染料可以溶于酒精、苯、丙酮、水或其他溶液。它们还可以包含在有机塑料中以固态出现，或升华为蒸汽，以气态形式出现。所以染料激光器也称为 “ 液体激光器 ” 。染料激光器的突出特点是波长连续可调。燃料激光器种类繁多，价格低廉，效率高，输出功率可与气体和固体激光器相媲美，应用于分光光谱、光
4 化学、医疗和农业。 （ 5 ）红外激光器已有多种类型，应用范围广泛，它是一种新型的红外辐射源，特点是辐射强度高、单色性好、相干性好、方向性强。 （ 6 ） X 射线激光器在科研和军事上有重要价值，应用于激光反导弹武器中具有优势；生物学家用 X 射线激光能够研究活组织中的分子结构或详细了解细胞机能 用 X 射线激光拍摄分子结构的照片 , 所得到的生物分子像的对比度很高。 （ 7 ）化学激光器 有些化学反应产生足够多的高能原子，就可以释放出大能量，可用来产生激光作用。 （ 8 ）自由电子激光器 这类激光器比其他类型更适于产生很大功率的辐射。它的工作机制与众不同，它从加速器中获得几千万伏高能调整电子束，经周期磁场，形成不同能态的能级，产生受激辐射。 光分为可见光和不可见光:是根据人的肉眼是否能看到来划分的。光的可见与不可见与光（或者说电磁波，光就是电磁波）的波长有关系，人眼能看到的电磁波的波长范围是400nm到760nm，400nm左右的是紫色光，小于这个波长的人眼就看不到了，是紫外线。760nm附件的是红色光，波长大于这个范围，人眼也感觉不到也就是红外线。

5 波长为380—780nm的电磁波为可见光。可见光透过三棱镜可以呈现出红、橙、黄、绿、青、蓝、紫七种颜色组成的光谱。红色光波最长，640—780nm；紫色光波最短，380—430nm。 红640—780nm 橙640—610nm 黄610—530nm 绿505—525nm 蓝505—470nm 紫470—380nm 肉眼看得见的是电磁波中很短的一段，从0.4-0.76微米这部分称为可见光。可见光经三棱镜分光后，成为一条由红、橙、黄、绿、青、蓝、紫七种颜色组成的光带，这光带称为光谱。其中红光波长最长，紫光波长最短，其它各色光的波长则依次介于其间。波长长于红光的(>0.76微米)有红外线有无线电波；波长短于紫色光的(<0.4微米)有紫外线 常见的可见光有:
红光、紫光
6 常用的是：红外和紫外，红外的如：YAG灯泵浦，CO2，半导体侧面/端面泵浦，光纤 激光依据释放能量的方式可分为：连续和脉冲激光，连续激光是以稳定、连续的光束释放出能量，如二氧化碳、CW光纤激光器。脉冲激光的能量是以脉冲的形式释放的，即激光能量在一个固定的（也有可调节的）时间内（脉冲宽度）释放出来（称为一个脉冲），而每个脉冲之间的时间是可控的，依据脉冲宽度，此类激光又可分为长脉冲激光（脉宽为毫秒级）和短脉冲激光（脉宽为纳秒级），近年又出现了皮秒激光(1皮秒等于一万亿分之一秒(10E-12秒)。 激光脉冲:指的是脉冲工作方式的激光器发出的一个光脉冲，简单的说，好比手电筒的工作一样，一直合上按钮就是连续工作，合上开关立刻又关掉就是发出了一个“光脉冲”

光纤激光器是用掺稀土元素玻璃光纤作为增益介质的激光器，在泵浦光作用下光纤内很容易形成功率密度升高，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。

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融安县19351813120： 光纤激光器工作原理?哪个网站能看到详细分析? - ？
裔萱那宁： 光纤激光器简单点讲就是在一些掺杂(如镱等)光纤上加泵浦光源(一般是LD)进行激励,产生较小功率的激光,然后再通过合束装置,将几个模块产生的激光进行耦合,以达到高功率的激光输出.要想详细的了解和分析,建议找些专业的论文来看看,也非三两句话就能说清的,学术论文里应该有很多这种介绍的.

融安县19351813120： 光纤激光器的工作原理是怎样的? ？
裔萱那宁： 光纤激光器工作原理: 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最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.

融安县19351813120： 光纤激光器原理特点有哪些 - ？
裔萱那宁： 光纤激光器,其一般是使用半导体激光器为泵源,一组成对的光纤光栅(一只标准的JK-HR-FBG和一只标准的JK-LR(OC)-FBG)作为腔镜,掺杂有源光纤作为激发物质的一种结构.其原理是半导体激光器发出的光,在腔镜内谐振后激发掺杂有源光纤中掺杂的稀有粒子,从而形成激光

融安县19351813120： 什么是光纤激光器?其原理是什么?相对于气体和固体激光器有什么优点?有哪些研究方向? - ？
裔萱那宁： 光纤激光的概念你可以自己找本书看下,所有的激光的产生原理都一样.光纤激光的优点,光电转换率高,还有一个关键的特性是可以通过光纤传输,柔性的.研究方向,如何使用高功率激光切割厚板材料,算是一个方向吧.

融安县19351813120： 光纤打标机原理是什么? - ？
裔萱那宁： 光纤激光打标机是由用光纤作为激光介质,使得高功率光纤激光器能得到接近衍射极限的光束输出,采用光纤激光器为基膜输出,聚焦光斑直径10微米再通过计算机控制高速扫描振镜偏转改变激光光束光路实现自动打标.激光打标是不用力的、非接触式的,对产品的品质影响几乎没有,打标出来后,字体的质感更强.

融安县19351813120： 光纤激光打标机原理是什么 - ？
裔萱那宁： 光纤激光打标机是利用激光束在各种不同的物质表面打上永久的标记.打标的效应是通过光能烧掉部分物质,显出所需刻蚀的图案、文字、条形码等各类图形;或者是通过表层物质的蒸发露出深层物质;或者是通过光能导致表层物质的化学物理变化而＂刻＂出痕迹.

融安县19351813120： 光纤激光器是一种什么方法,具有什么作用 - ？
裔萱那宁： 光纤激光器(Fiber Laser)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. 现在在工业加工中用途广泛,切割,焊接等