[科普中國]-光纖激光器

光纖激光器（Fiber Laser）是指用摻稀土元素玻璃光纖作為增益介質(zhì)的激光器，光纖激光器可在光纖放大器的基礎(chǔ)上開發(fā)出來：在泵浦光的作用下光纖內(nèi)極易形成高功率密度，造成激光工作物質(zhì)的激光能級“粒子數(shù)反轉(zhuǎn)”，當(dāng)適當(dāng)加入正反饋回路（構(gòu)成諧振腔）便可形成激光振蕩輸出。

概述光纖激光器應(yīng)用范圍非常廣泛，包括激光光纖通訊、激光空間遠距通訊、工業(yè)造船、汽車制造、激光雕刻激光打標激光切割、印刷制輥、金屬非金屬鉆孔/切割/焊接（銅焊、淬水、包層以及深度焊接）、軍事國防安全、醫(yī)療器械儀器設(shè)備、大型基礎(chǔ)建設(shè)，作為其他激光器的泵浦源等等。

光纖激光器是指用摻稀土元素玻璃光纖作為增益介質(zhì)的激光器，光纖激光器可在光纖放大器的基礎(chǔ)上開發(fā)出出來。在泵浦光作用下光纖內(nèi)很容易形成功率密度升高，造成激光工作物質(zhì)的激光能級“粒子數(shù)反轉(zhuǎn)”，當(dāng)適當(dāng)加入正反饋回路(構(gòu)成諧振腔)便可形成激光振蕩輸出。1

結(jié)構(gòu)激光信號的產(chǎn)生需具備粒子數(shù)反轉(zhuǎn)、存在光反饋和達到激光閾值三個基本條件，因此激光器是由工作物質(zhì)、泵浦源和諧振腔三部分組成。光纖激光器的基本結(jié)構(gòu)如下，增益光纖為產(chǎn)生光子的增益介質(zhì)；抽運光的作用是作為外部能量使增益介質(zhì)達到粒子數(shù)反轉(zhuǎn)，也就是泵浦源；光學(xué)諧振腔由兩個反射鏡組成，作用是使光子得到反饋并在工作介質(zhì)中得到放大。抽運光進入增益光纖后被吸收，進而使增益介質(zhì)中能級粒子數(shù)發(fā)生反轉(zhuǎn)，當(dāng)諧振腔內(nèi)的增益高于損耗時在兩個反射鏡之間便會形成激光振蕩，產(chǎn)生激光信號輸出。2

特點(1)光束質(zhì)量好。

光纖的波導(dǎo)結(jié)構(gòu)決定了光纖激光器易于獲得單橫模輸出，且受外界因素影響很小，能夠?qū)崿F(xiàn)高亮度的激光輸出。

(2)高效率。

光纖激光器通過選擇發(fā)射波長和摻雜稀土元素吸收特性相匹配的半導(dǎo)體激光器為泵浦源，可以實現(xiàn)很高的光一光轉(zhuǎn)化效率。對于摻鐿的高功率光纖激光器，一般選擇915納米或975納米的半導(dǎo)體激光器，熒光壽命較長，能夠有效儲存能量以實現(xiàn)高功率運作。商業(yè)化光纖激光器的總體電光效率高達25%，有利于降低成本，節(jié)能環(huán)保。

(3)散熱特性好。

光纖激光器是采用細長的摻雜稀土元素光纖作為激光增益介質(zhì)的，其表面積和體積比非常大。約為固體塊狀激光器的1000倍，在散熱能力方面具有天然優(yōu)勢。中低功率情況下無需對光纖進行特殊冷卻，高功率情況下采用水冷散熱，也可以有效避免固體激光器中常見的由于熱效應(yīng)引起的光束質(zhì)量下降及效率下降。

(4)結(jié)構(gòu)緊湊，可靠性高。

由于光纖激光器采用細小而柔軟的光纖作為激光增益介質(zhì)，有利于壓縮體積、節(jié)約成本。泵浦源也是采用體積小、易于模塊化的半導(dǎo)體激光器，商業(yè)化產(chǎn)品一般可帶尾纖輸出，結(jié)合光纖布拉格光柵等光纖化的器件，只要將這些器件相互熔接即可實現(xiàn)全光纖化，對環(huán)境擾動免疫能力高，具有很高的穩(wěn)定性，可節(jié)省維護時間和費用。3

類型一、按照光纖材料的種類進行分類

1、晶體光纖激光器。工作物質(zhì)是激光晶體光纖，主要有紅寶石單晶光纖激光器和nd3+：YAG單晶光纖激光器等。

2、非線性光學(xué)型光纖激光器。主要有受激喇曼散射光纖激光器和受激布里淵散射光纖激光器。

3、稀土類摻雜光纖激光器。光纖的基質(zhì)材料是玻璃，向光纖中摻雜稀土類元素離子使之激活，而制成光纖激光器。

4、塑料光纖激光器。向塑料光纖芯部或包層內(nèi)摻入激光染料而制成光纖激光器。

二、按增益介質(zhì)分類為：

1、晶體光纖激光器。工作物質(zhì)是激光晶體光纖，主要有紅寶石單晶光纖激光器和Nd3+:YAG單晶光纖激光器等。

2、非線性光學(xué)型光纖激光器。主要有受激喇曼散射光纖激光器和受激布里淵散射光纖激光器。

3、稀土類摻雜光纖激光器。向光纖中摻雜稀土類元素離子使之激活，(Nd3+、Er3+、Yb3+、Tm3+等，基質(zhì)可以是石英玻璃、氟化鋯玻璃、單晶)而制成光纖激光器。

4、塑料光纖激光器。向塑料光纖芯部或包層內(nèi)摻入激光染料而制成光纖激光器。

三、按諧振腔結(jié)構(gòu)分類

分為F-P腔、環(huán)形腔、環(huán)路反射器光纖諧振腔以及“8”字形腔、DBR光纖激光器、DFB光纖激光器等。

四、按光纖結(jié)構(gòu)分類

分為單包層光纖激光器、雙包層光纖激光器、光子晶體光纖激光器、特種光纖激光器。

五、按輸出激光特性分類

分為連續(xù)光纖激光器和脈沖光纖激光器，其中脈沖光纖激光器根據(jù)其脈沖形成原理又可分為調(diào)Q光纖激光器(脈沖寬度為ns量級)和鎖模光纖激光器(脈沖寬度為ps或fs量級)。2

優(yōu)勢光纖激光器作為第三代激光技術(shù)的代表，具有以下優(yōu)勢：

（1）玻璃光纖制造成本低、技術(shù)成熟及其光纖的可繞性所帶來的小型化、集約化優(yōu)勢；

（2）玻璃光纖對入射泵浦光不需要像晶體那樣的嚴格的相位匹配，這是由于玻璃基質(zhì)Stark 分裂引起的非均勻展寬造成吸收帶較寬的緣故；

（3）玻璃材料具有極低的體積面積比，散熱快、損耗低，所以轉(zhuǎn)換效率較高，激光閾值低；

（4）輸出激光波長多：這是因為稀土離子能級非常豐富及其稀土離子種類之多；

（5）可調(diào)諧性：由于稀土離子能級寬和玻璃光纖的熒光譜較寬。

（6）由于光纖激光器的諧振腔內(nèi)無光學(xué)鏡片，具有免調(diào)節(jié)、免維護、高穩(wěn)定性的優(yōu)點，這是傳統(tǒng)激光器無法比擬的。

（7）光纖導(dǎo)出，使得激光器能輕易勝任各種多維任意空間加工應(yīng)用，使機械系統(tǒng)的設(shè)計變得非常簡單。

（8）勝任惡劣的工作環(huán)境，對灰塵、震蕩、沖擊、濕度、溫度具有很高的容忍度。

（9）不需熱電制冷和水冷，只需簡單的風(fēng)冷。

（10）高的電光效率：綜合電光效率高達20%以上，大幅度節(jié)約工作時的耗電，節(jié)約運行成本。

（11）高功率,商用化的光纖激光器是六千瓦。1

應(yīng)用1、標刻應(yīng)用

脈沖光纖激光器以其優(yōu)良的光束質(zhì)量，可靠性，最長的免維護時間，最高的整體電光轉(zhuǎn)換效率，脈沖重復(fù)頻率，最小的體積，無須水冷的最簡單、最靈活的使用方式，最低的運行費用使其成為在高速、高精度激光標刻方面的唯一選擇。

一套光纖激光打標系統(tǒng)可以由一個或兩個功率為25W的光纖激光器，一個或兩個用來導(dǎo)光到工件上的掃描頭以及一臺控制掃描頭的工業(yè)電腦組成。這種設(shè)計比用一個50W激光器分束到兩個掃描頭上的方式高出達4倍以上的效率。該系統(tǒng)最大打標范圍是175mm*295mm，光斑大小是35um，在全標刻范圍內(nèi)絕對定位精度是+/-100um。100um工作距離時的聚焦光斑可小到15um。

2、材料處理的應(yīng)用

光纖激光器的材料處理是基于材料吸收激光能量的部位被加熱的熱處理過程。1um左右波長的激光光能很容易被金屬、塑料及陶瓷材料吸收。

3、材料彎曲的應(yīng)用

光纖激光成型或折曲是一種用于改變金屬板或硬陶瓷曲率的技術(shù)。集中加熱和快速自冷切導(dǎo)致在激光加熱區(qū)域的可塑性變形，永久性改變目標工件的曲率。研究發(fā)現(xiàn)用激光處理的微彎曲遠比其他方式具有更高的精密度，同時，這在微電子制造是一個很理想的方法。

4、激光切割的應(yīng)用

隨著光纖激光器的功率不斷攀升，光纖激光器在工業(yè)切割方面得以被規(guī)?；瘧?yīng)用。比如：用快速斬波的連續(xù)光纖激光器微切割不銹鋼動脈管。由于它的高光束質(zhì)量，光纖激光器可以獲得非常小的聚焦直徑和由此帶來的小切縫寬度正在刷新醫(yī)療器件工業(yè)的標準。2

本詞條內(nèi)容貢獻者為:

徐恒山 - 講師 - 西北農(nóng)林科技大學(xué)