所謂高功率光纖激光器，是相對于光纖通訊中作為載波的低功率光纖激光器而言（功率為mW級），是定位于機械加工、激光醫(yī)療、汽車制造和軍事等行業(yè)的高強度光源。高功率光纖激光器巧妙地把光纖技術與激光原理有機地融為一體，鑄造了21世紀最先進和最犀利的激光器。即使是在激光技術發(fā)達的國家，光纖激光器也是尖端、神秘和充滿誘惑的代名詞。 a%AU9?/q#  
]8mBFr5E9  
一、光纖技術 
D1w_Vpz  
Rl,B !SF  
光纖激光器的最大特點就是一根光纖穿到底，整臺機器高度實現(xiàn)光纖一體化。而那些只在外部導光部分采用光纖傳輸或者LD泵浦源采用尾纖來耦合的激光器都不是真正意義上的光纖激光器。 3oSQe"  
os2yiF",   
光纖是以SiO2為基質材料拉成的玻璃實體纖維，主要廣泛應用于光纖通訊，其導光原理就是光的全反射機理。普通裸光纖一般由中心高折射率玻璃芯(芯徑一般為9-62.5μm) 、中間低折射率硅玻璃包層 (芯徑一般為125μm) 和最外部的加強樹脂涂層組成。光纖可分為單模光纖和多模光纖。單模光纖：中心玻璃芯較細(直徑9μm+0.5μm)，只能傳一種模式的光，其模間色散很小，具有自選模和限模的功能。多模光纖：中心玻璃芯較粗 (50μm+1μm)，可傳多種模式的光，但其模間色散較大，傳輸?shù)墓獠患儭? %B~`bUHjq  
!XFN/-Q ,  
用于高功率光纖激光器中的光纖不是普通的通訊光纖，而是摻雜了多種稀有離子、結構更為復雜、耐高輻射的特種光纖---雙包層光纖。 q)P<lKi  
#[A/zH|xvV  
G q8/xxt  
7 724,+2N  
雙包層光纖比普通光纖在纖芯外多了一個內(nèi)包層，對泵浦光而言是多模的，直徑和受光角較大，能大肆吸收高亮度的多模泵浦光，在光纖內(nèi)聚集大量的光子。實踐證明：橫截面為D型和矩形的雙包層光纖具有95%的耦合效率因而得到廣泛應用。對于脈沖光纖激光器而言，一個重大的課題就是如何提高光纖的耐輻射能力。目前世界上光纖激光器的單脈沖能力可以達到20,000W，一根頭發(fā)絲大小的光纖如何能承受如此高的激光輻射？所以必須考慮在光纖內(nèi)摻雜某種特殊離子防止光纖被燒壞。比如摻雜了鈰離子的光纖就是在核輻射情況下，既不會因染色而失去透光能力，更不會受熱變形。 hP7nt  
6@T_1  
二、傳統(tǒng)固體激光器 R ~cc]kp0  
z` sH  
激光器說白了就是一個波長轉換器---波長短的泵浦光激勵摻雜離子轉換成長波長的光輻射，它一般由3部分組成：工作物質、諧振腔和泵浦系統(tǒng)。由于光纖激光器本質上屬于固體激光器，所以在此僅比較一下傳統(tǒng)Nd:YAG激光器的特性。 46 77uy  
f6m^pbQFl  
工作物質： 'n=FBu^  
nZ{~@E2  
工作物質是固體激光器的心臟，它的物理性質由基質材料決定，光譜性質由激活離子內(nèi)的能級結構決定。在YAG單晶體中摻入三價的Nd3+，便構成了目前廣泛應用的YAG激光晶體。它主要有如下明顯的特點： r2
Q"NVw  
A1:Fe9q  
t'z]<7  
1、YAG棒生長速度很慢，一般小于1mm/h。目前最大晶體棒的直徑為40mm，長180mm，所以激光增益從根本上受到限制，無法實現(xiàn)特高功率激光輸出。
7Fq|Zc`P  
!0w'S>e  
2、工作物質只要是晶體就無法回避激光棒的熱透鏡效應、熱應變和熱致雙折射現(xiàn)象，嚴重時出現(xiàn)“激光淬滅”和激光棒斷裂；所以，YAG激光器效率很低。 6Fm.^9@  
@ O%m,  
3、Nd:YAG棒的主要吸收譜線在810nm附近，其帶寬約為2nm，所以要嚴格控制泵浦源的線寬，否則吸收無效反而造成熱損耗，所以YAG激光器一般要加龐大的冷卻系統(tǒng)。 IlaH,J7n  
rp _G.C  
4、由于Nd3+半徑與Y3+半徑不完全相符，Nd3+離子摻入YAG晶體中在結構上存有天生的缺陷造成光學瑕疵，不能夠在YAG晶體中摻入高濃度的Nd3+來實現(xiàn)高增益，這同時也是影響激光器光學性能的根本。 ?56Zw"89  
.M_;mhRI  
5、處于亞穩(wěn)態(tài)能級的Nd3+離子平均壽命長為300us，其最佳Q開關重復頻率只能是1/300us，即3.3Khz，所以YAG激光器的Q開關一般設定為3-5Khz而無法實現(xiàn)高頻工作。 's e9|:  
'- Z4GcL  
光學諧振腔： QZDGk4GG  
g'mkhF(  
傳統(tǒng)光學諧振腔主要由工作物質兩端鍍了膜的兩塊鏡片組成，起著正反饋、選模和輸出耦合的作用。比較光纖激光器獨特的腔結構，傳統(tǒng)光學諧振腔主要有如下特點： TzIgEn~  
D0(gEb  
1、由于是由兩塊鏡片組成，諧振腔受到機械振動、熱透鏡效應以及晶體棒熱焦距擾動影響，從而造成激光無法正常出光，需極為煩瑣的調(diào)光與監(jiān)控。 M]6=Rxq1:E  
]qXfgc  
2、腔鏡對灰塵、水分和雜物十分敏感，需經(jīng)常專業(yè)擦拭，否則影響激光功率。 )d s(/P5b  

B[k"xs  
3、腔長長度與輸出功率是一對矛盾，光束質量與激光能量是一對矛盾；只有采取昂貴的選模/鎖模腔才可以實現(xiàn)高質量的大功率輸出。 VB[R!S
=  
yX8F^iv[  
4、從激光晶體激勵出來的初始激光不是單模光，而是一束直徑為幾毫米的光束，必須通過腔鏡衰減或選模機制來實現(xiàn)單模輸出，從而降低了整體轉換效率。 #Uudx~b  
QJ$]~)w?H  
泵浦系統(tǒng)： `_f3o,5  
B$7lL
  
由于燈泵系統(tǒng)的優(yōu)缺點廣為人知，在此僅談談DPSSL的泵浦方式的某些特性： ag] nVE/  
wv1?v_4  
1、由于DPPSSL主要是在泵浦系統(tǒng)上稍作改進，它只能緩解激光棒熱效應，而無法從本質上根除晶體激光器的這個弊病。 U_14CLsdG  
!D