光纤激光器：原理、类型、优点及应用

创作时间:

作者:

@小白创作中心

光纤激光器：原理、类型、优点及应用

引用

来源

https://m.fang.com/jiaju/baike/3491/

光纤激光器作为第三代激光技术的代表，具有体积小、效率高、稳定性好等优点，在工业加工、医疗、通信等领域有着广泛的应用。本文将为您详细介绍光纤激光器的工作原理、类型、优点及其具体应用。

光纤激光器工作原理

光纤激光器应用范围非常广泛，那是因为它的原理非常强大，可以适用很多地方，下面我们具体了解一下光纤激光器工作原理的知识吧。

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。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。

光纤激光器的类型

说到光纤激光器很多人还是不熟悉，有的人甚至没有听说过，其实光纤激光器的类型不是单一的，按照光纤材料的种类，光纤激光器可分为以下的类型，具体介绍如下：

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。
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。
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。
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。

按增益介质分类为：

a）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。

b）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。

c）稀土类掺杂光纤激光器。向光纤中掺杂稀土类元素离子使之激活，（Nd3＋、Er3＋、Yb3＋、Tm3＋等，基质可以是石英玻璃、氟化锆玻璃、单晶）而制成光纤激光器。

d）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。

（2）按谐振腔结构分类为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）按光纤结构分类为单包层光纤激光器、双包层光纤激光器、光子晶体光纤激光器、特种光纤激光器。

（4）按输出激光特性分类为连续光纤激光器和脉冲光纤激光器，其中脉冲光纤激光器根据其脉冲形成原理又可分为调Q光纤激光器（脉冲宽度为ns量级）和锁模光纤激光器（脉冲宽度为ps或fs量级）。

（5）根据激光输出波长数目可分为单波长光纤激光器和多波长光纤激光器。

（6）根据激光输出波长的可调谐特性分为可调谐单波长激光器，可调谐多波长激光器。

（7）按激光输出波长的波段分类为S－波段（1460～1530nm）、C－波段（1530～1565nm）、L－波段（1565～1610nm）。

（8）按照是否锁模，可以分为：连续光激光器和锁模激光器。通常的多波长激光器属于连续光激光器。

光纤激光器优点

光纤激光器作为第三代激光技术的代表，深的人们的喜欢，所以很多人都在了解它的相关知识，下面小编为大家总结了优点，它的具有优点如下：

玻璃光纤制造成本低、技术成熟及其光纤的可饶性所带来的小型化、集约化；
玻璃光纤对入射泵浦光不需要像晶体那样的严格的相位匹配，这是由于玻璃基质Stark分裂引起的非均匀展宽造成吸收带较宽的缘故；
玻璃材料具有极低的体积面积比，散热快、损耗低，所以转换效率较高，激光阈值低；
输出激光波长多：这是因为稀土离子能级非常丰富及其稀土离子种类之多；
可调谐性：由于稀土离子能级宽和玻璃光纤的荧光谱较宽。
由于光纤激光器的谐振腔内无光学镜片，具有免调节、免维护、高稳定性的优点，这是传统激光器无法比拟的。
光纤导出，使得激光器能轻易胜任各种多维任意空间加工应用，使机械系统的设计变得非常简单。
胜任恶劣的工作环境，对灰尘、震荡、冲击、湿度、温度具有很高的容忍度。
不需热电制冷和水冷，只需简单的风冷。
高的电光效率：综合电光效达20％以上，大幅度节约工作时的耗电，节约运行成本。
高功率，商用化的光纤激光器是六千瓦。

光纤激光器应用

随着人们对光纤激光器的认识越来越多，人们对于它的关注也越来越高，近一段时间很多人都在学习光纤激光器应用方面的知识，小编也做了总结，下面就介绍给大家吧。

标刻应用

脉冲光纤激光器以其优良的光束质量，可靠性，长的免维护时间，整体电光转换效率，脉冲重复频率，无须水冷的简单、灵活的使用方式，运行费用使其成为在高速、高精度激光标刻方面的选择。一套光纤激光打标系统可以由一个或两个功率为25W的光纤激光器，一个或两个用来导光到工件上的扫描头以及一台控制扫描头的工业电脑组成。这种设计比用一个50W激光器分束到两个扫描头上的方式高出达4倍以上的效率。该系统打标范围是175mm*295mm，光斑大小是35um，在全标刻范围内定位精度是+/-100um。100um工作距离时的聚焦光斑可小到15um。