光纤激光器原理 光纤激光器原理 光纤激光器主要由泵浦源，耦合器，掺稀土元素光纤，谐振腔等 光纤激光器主要由泵浦源，耦合器，掺稀土元素光纤，谐振腔等 部件构成。泵浦源由一个或多个大功率激光二极管阵列构成，其发出 部件构成。泵浦源由一个或多个大功率激光二极管阵列构成，其发出 的泵浦光经特殊的泵浦结构耦合入作为增益介质的掺稀土元素光纤， 的泵浦光经特殊的泵浦结构耦合入作为增益介质的掺稀土元素光纤， 泵浦波长上的光子被掺杂光纤介质吸收，形成粒子数反转，受激发射 泵浦波长上的光子被掺杂光纤介质吸收，形成粒子数反转，受激发射 的光波经谐振腔镜的反馈和振荡形成激光输出。 的光波经谐振腔镜的反馈和振荡形成激光输出。 光纤激光器特点 光纤激光器特点 光纤激光器以光纤作为波导介质，耦合效率高，易形成高功率密 光纤激光器以光纤作为波导介质，耦合效率高，易形成高功率密 度，散热效果好，无需庞大的制冷系统，具有高转换效率，低阈值， 度，散热效果好，无需庞大的制冷系统，具有高转换效率，低阈值， 光束质量好和窄线宽等优点。并且，光纤激光器的谐振腔内无光学镜 光束质量好和窄线宽等优点。并且，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；超长的工作寿命和免维 片，具有免调节、免维护、高稳定性的优点；超长的工作寿命和免维 护时间，平均免维护时间在 10 万小时以上。 护时间，平均免维护时间在 10 万小时以上。 1: 光纤激光器原理图 1: 光纤激光器原理图 峰值功率：脉冲激光器，顾名思义，它输出的激光是一个一个脉 峰值功率：脉冲激光器，顾名思义，它输出的激光是一个一个脉 1 1 10 ns( ) 10 ns( ) 冲，每单个脉冲有一个持续时间，比如说 纳秒 ，一般称作单 冲，每单个脉冲有一个持续时间，比如说 纳秒 ，一般称作单 t t 个脉冲宽度，或单个脉冲持续时间，我们用 表示。这种激光器可 个脉冲宽度，或单个脉冲持续时间，我们用 表示。这种激光器可 1 10 1 10 以发出一连串脉冲，比如， 秒钟发出 个脉冲，或者有的就发出 以发出一连串脉冲，比如， 秒钟发出 个脉冲，或者有的就发出 ( ) 10 1 ( ) 10 1 一个脉冲。这时，我们就说脉冲重复 频 率前者为 ，后者为 ， 一个脉冲。这时，我们就说脉冲重复 频 率前者为 ，后者为 ， 1 10 0.1 1 1 10 0.1 1 那么， 秒钟发出 个脉冲，它的脉冲重复周期为 秒，而 秒 那么， 秒钟发出 个脉冲，它的脉冲重复周期为 秒，而 秒 1 1 T 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 钟发出 个脉冲，那么，它的脉冲重复周期为 秒，我们用 表 示这个脉冲重复周期。 示这个脉冲重复周期。 E E/T E E/T 如果单个脉冲的能量为 ， 那么 称作脉冲激光器的平均功率， 如果单个脉冲的能量为 ， 那么 称作脉冲激光器的平均功率， E 50 mJ( ) T 0.1 E 50 mJ( ) T 0.1 这是在一个周期内的平均值。例如， 毫焦 ， 秒， 这是在一个周期内的平均值。例如， 毫焦 ， 秒， P 50 mJ/0.1 s 500 mW P 50 mJ/0.1 s 500 mW 那么， 平均功率 平均 。 那么， 平均功率 平均 。 E t E t 如果用 除以 ，即有激光输出的这段时间内的功率，一般称作峰 如果用 除以 ，即有激光输出的这段时间内的功率，一般称作峰 (peak power) E 50 mJ, t 10 ns, (peak power) E 50 mJ, t 10 ns, 值功率 ，例如，在前面的例子中 值功率 ，例如，在前面的例子中 P 50 ×10^(-3)/[10×10^(-9)] 5×10^6 W 5 MW( ) P 50 ×10^(-3)/[10×10^(-9)] 5×10^6 W 5 MW( ) 峰值 兆瓦 ，由于脉 峰值 兆瓦 ，由于脉 t t 冲宽度 很小，它的峰值功率很大。 冲宽度 很小，它的峰值功率很大。 E 1mj t=100ns 20-80K 脉冲能量 E 1mj 脉宽 t=100ns 重复频率 20-80K 脉冲持续 脉冲能量 脉宽 重复频率 脉冲持续 T 1s/2k 时间 T 1s/2k ？秒 时间 ？秒 P E/T 0.001J/0.00005s 20W 平均功率 P E/T 0.001J/0.00005s 20W 平均功率 P E/t P 峰值功率 E/t 峰值功率 激光的分类： 激光的分类： X X 激光按波段分，可分为可见光、红外、紫外、 光、多波长可调 激光按波段分，可分为可见光、红外、紫外、 光、多波长可调 CO2 10.64um 谐 ，目前工业用红外及紫外激光。例如 CO2 激光器 10.64um 红外 谐 ，目前工业用红外及紫外激光。例如 激光器 红外 2 2 , YAG 1.064um , YAG , YAG 1.064um , YAG 激光 氪灯泵浦 激光器 红外激光 氙灯泵浦 激 激光 氪灯泵浦 激光器 红外激光 氙灯泵浦 激 1.064um , / 1.064um 1.064um , / 1.064um 光器 红外激光 半导体侧面 端面泵浦激光器 红外 光器 红外激光 半导体侧面 端面泵浦激光器 红外 激光。 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 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： 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 （ 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 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。 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 （ 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。 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 （ 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 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 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 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。 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， （ 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 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 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 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 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 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 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 3 3 化学、医疗和农业。 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 （ 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 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。 性强。 （ 6 ） X 射线激光器在科研和军事上有重要价值，应用于 （ 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 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 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。 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， （ 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。 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 （ 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 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 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。 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 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 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 400nm 760nm 400nm 400nm 760nm 400nm 有关系，人眼能看到的电磁波的波长范围是 到 ， 有关系，人眼能看到的电磁波的波长范围是 到 ， 760nm 760nm 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。 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。 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。 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nm 的电磁波为可见光。可见光透过三棱镜可以 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 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。 最长，640—780nm；紫色光波最短，380—430nm。 红 640—780nm 红 640—780nm 橙 640—610nm 橙 640—610nm 黄 610—530nm 黄 610—530nm 绿 505—525nm 绿 505—525nm 蓝 505—470nm 蓝 505—470nm 紫 470—380nm 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 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、 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， 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 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) (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 有紫外线 常见的可见光有 :红光、紫光 常见的可见光有 :红光、紫光 5 5 YAG CO 常用的是：红外和紫外，红外的如：YAG 灯泵浦，CO ， 常用的是：红外和紫外，红外的如： 灯泵浦， 2， 2 // 半导体侧面 端面泵浦，光纤 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 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 CW 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 以稳定、连续的光束释放出能量，如二氧化碳、 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 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 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 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 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 (1 (10E-12 ) (1 (10E-12 ) 现了皮秒激光 皮秒等于一万亿分之一秒 秒 。 现了皮秒激光 皮秒等于一万亿分之一秒 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 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 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 。 开关立刻又关掉就是发出了一个 光脉冲 。 6 6 7 7 8 8 9 9 10 10 11 11 12 12 13 13 14 14 15 15 16 16 17 17 18 18 / T90xPMbVRDnm 微信红包群 / T90xPMbVRDnm 微信红包群 19 19
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