脈沖光纖激光器光功率計的設計與研究

閆文強 梁濤 吳穹 管清韋

(大連理工大學,遼寧大連 116024)

脈沖光纖激光器光功率計的設計與研究

閆文強 梁濤 吳穹 管清韋

(大連理工大學,遼寧大連 116024)

光纖維激光器在應用過程以功率大小為衡量標準,光纖技術應用于激光器制作,兩者完美融合,使得光纖維激光器有高能效率,低標準閾值,高質量光束等優點和特質。光纖維激光器有良好的發展前景,其用途分布范圍廣,應用效能高,尤其是在醫療,軍事,通信等方面做出了突出貢獻。脈沖光纖維激光器是光纖維激光器的一中,其輸出功率較大,效能較高,應用范圍較廣。在不斷提高光纖維激光功率的過程中,對于激光器各方面性能的質量保證優化也是一項重要的任務。

脈沖光纖維激光器 光功率計 創新與研究

隨著科技的不斷改革與創新，帶來的不僅是煥然一新的世界，還有各種質量與性能雙保障的高科技工具，在科學的演變的歷史長河中，由傳統的激光器轉變為光纖維激光器，其工作效率比原來增加了幾萬倍或者更多。光纖維激光器類型包括連續光纖維激光器和脈沖光纖維激光器，本文以激光器的演變過程為出發點，詳細的了解脈沖光纖維激光器的工作原理，把握脈沖光纖維激光器光功率計發展方向并進行現狀分析和探討。

1 激光器的演變過程和光纖維激光器的發展歷程

(1)最早出現的是稀土光纖維激光器，他在美國的實驗室出生，從1961年到1973年實驗者又將石英光纖維應用于激光器，以低損耗為發展目的。經過十年磨練，石英光纖維激光器和半導體光纖維激光器的發展日益成熟，被逐步帶入實際應用中，這兩種激光器可以稱為光纖維激光器的先驅，為其發展提供了技術基礎。(2)20世紀80年代稀土光纖維激光器研究邁出了嶄新的一步，1985年在英國實驗室誕生了摻Er3+光纖，這意味著化學技術與光纖維激光器的完美融合。這些歷史性的進步都可以證明光纖維市場有著很好的發展前途，光纖維的發展也帶領光通信技術邁向新的階梯。(3)連續光纖維激光器有傳統的單包層光纖維激光器改進為雙包層光纖維激光器，單包層光纖維最大的缺點就是輸出功率低，輸出效能弱。外包層技術的應用更好地解決了單包層光纖維的低功率缺陷，更有利于激光在包層中的折射與傳輸。(4)脈沖光纖維激光器的前身是單脈沖光纖維激光器，單脈沖光纖維激光器能量和峰值都比較低，應用價值不高，在研究中將調Q光纖激光器應用于單脈沖光纖維激光器，將其功率和峰值都提高了一個檔次，但在實際應用中還是無法實現全光纖聚集，于是鎖模光纖維激光器誕生，它的產生為高效能和高峰值提供了條件。(輸出峰值功率=脈沖能量/脈寬平均功率=脈沖能量X重頻平均功率=峰值功率X脈寬X重頻)。

2 光纖維激光器的工作原理

光纖維激光器在輸出功率和光束質量上都比傳統的激光器有優越性，輸出效率高是最值得一提的優點，同時保質保量，在外形上，光纖維激光器的體積較小，對于部分構造要求較低。

光纖維激光器是以光纖作為激光器的激光介質光學器件，不同類型的稀土粒子帶來不一樣的效果，其根本作用是在激光束的激光作用下，不同的稀土離子對應產生不同波長的激光。在激光的全過程中首先，激光經反光鏡1到達光纖芯，光線心中含有稀土離子，受到激發的稀土離子躍遷在經過一系列的變化，有高能級轉化為低能級并釋放出能量，然后經過反射鏡2，最后形成輸出激光束。

鎖模脈沖光纖激光器是由鎖模調制器件、增益介質、諧振腔、泵浦源、和激光輸出五個部分構成的。在構造原理中，增益介質，諧振腔，泵浦源和激光輸出與一般的光纖維激光器相比大致相同，在鎖模光纖維激光器中鎖模調制器件是中心構造也是發揮其特殊性能的主要構造。其中鎖模調制器可分為兩種，被動與主動鎖模調制器，兩種調制器的工作原理也是不同的，被動鎖模調制器利用的是脈沖自身的光強度，多呈現窄脈寬，主動鎖模調制器利用的是外部元件，其顯現寬脈寬，被動與主動鎖模調制器的區別是能否實現全光纖聚集。

3 以提升脈沖光纖維激光器功率為主要研究方向

(1)光纖芯面積與激光器光率存在正相關。在傳統光纖維激光器的開發中，未來彌補其性能的不足，一般制定光纖芯的面積，為了保證其輸出功率的穩定性，規定光纖芯尺寸在25m以內。這種方法注定不能發展長遠，期間對于激光器的光纖芯進行過多種實驗與結果對比，都不太盡如人意，直到2008年，提出CCC fiber，這是歷史性的一步，代表著光纖維激光器的輸出穩定性和高性能完美融合，高功率激光器的時代到來了。(2)能量密度的增大是功率的提升的動力。增大能量密度主要手段有兩種，其一增大能量輸入，不改變其輸入端面積；其二減少輸入端面積，也可以采用增加增益粒子的數量為選擇。(3)泵浦功率是提升激光器功率的保證。在選擇光纖維激光器泵浦功能的原則上，經過實驗研究表明，在光纖維輸入端輸入光強度增大的同時輸出效能也隨著提高。泵浦源和諧振腔的共同協助工作為激光器的功率提高提供一個堅實的保障，放大器的功能也不容小噓。(4)調Q光纖激光器的開關時間。調Q光纖維激光器大致有兩種類型，包括被動和主動激光器，之所以稱為調Q光纖維激光器是因為其工作原理以控制諧振腔的Q值為主要途徑。處于提升功率主導位置的是調Q光纖維激光器的開關時間，開關時間越短，提升功率速度越快，越能實現高功率激光器。(5)鎖模方式的實現和應用。鎖模脈沖光纖維激光器的研究是在調Q激光器的基礎上實現的，相比較于一般的脈沖激光器，鎖模激光器的獨家秘密是鎖模調制器，在提高輸出功率和輸出時間的持續性方面都有突出優越性。鎖模調制器的主要功能是將光線長度和重復頻率的關系進行倒置，形成反比。

4 結語

光纖維激光器在科學技術的不斷發展的推動下以進步者的姿態持續的激進，勢必會在不同行業發揮其最大的功能特性。脈沖光纖維激光器的輸出功率可大到幾萬甚至到達兆，如此客觀的輸出功率，脈沖光纖維的利用程度會被大大提升的。

[1]高林柱.大功率光纖激光器研究進展[J].中國激光,2012(08).

[2]段云鋒,黃榜才.高能量脈沖光纖激光器研究進展及其應用[J].應用光學,2012(05).

[3]石永山.國外光纖激光器研究進展[J].光電技術應用,2013(06).

閆文強(1992—),男,漢,山西省朔州市懷仁縣云中鎮,大連理工大學,本科,機械制造及其自動化。