脈沖光纖激光器光功率計(jì)的設(shè)計(jì)與研究

閆文強(qiáng) 梁濤 吳穹 管清韋

(大連理工大學(xué),遼寧大連 116024)

脈沖光纖激光器光功率計(jì)的設(shè)計(jì)與研究

閆文強(qiáng) 梁濤 吳穹 管清韋

(大連理工大學(xué),遼寧大連 116024)

光纖維激光器在應(yīng)用過程以功率大小為衡量標(biāo)準(zhǔn),光纖技術(shù)應(yīng)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(biāo)準(zhǔn)閾值,高質(zhì)量光束等優(yōu)點(diǎn)和特質(zhì)。光纖維激光器有良好的發(fā)展前景,其用途分布范圍廣,應(yīng)用效能高,尤其是在醫(yī)療,軍事,通信等方面做出了突出貢獻(xiàn)。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(yīng)用范圍較廣。在不斷提高光纖維激光功率的過程中,對(duì)于激光器各方面性能的質(zhì)量保證優(yōu)化也是一項(xiàng)重要的任務(wù)。

脈沖光纖維激光器 光功率計(jì) 創(chuàng)新與研究

隨著科技的不斷改革與創(chuàng)新，帶來的不僅是煥然一新的世界，還有各種質(zhì)量與性能雙保障的高科技工具，在科學(xué)的演變的歷史長河中，由傳統(tǒng)的激光器轉(zhuǎn)變?yōu)楣饫w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(xù)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(fā)點(diǎn)，詳細(xì)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(jì)發(fā)展方向并進(jìn)行現(xiàn)狀分析和探討。

1 激光器的演變過程和光纖維激光器的發(fā)展歷程

(1)最早出現(xiàn)的是稀土光纖維激光器，他在美國的實(shí)驗(yàn)室出生，從1961年到1973年實(shí)驗(yàn)者又將石英光纖維應(yīng)用于激光器，以低損耗為發(fā)展目的。經(jīng)過十年磨練，石英光纖維激光器和半導(dǎo)體光纖維激光器的發(fā)展日益成熟，被逐步帶入實(shí)際應(yīng)用中，這兩種激光器可以稱為光纖維激光器的先驅(qū)，為其發(fā)展提供了技術(shù)基礎(chǔ)。(2)20世紀(jì)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(shí)驗(yàn)室誕生了摻Er3+光纖，這意味著化學(xué)技術(shù)與光纖維激光器的完美融合。這些歷史性的進(jìn)步都可以證明光纖維市場有著很好的發(fā)展前途，光纖維的發(fā)展也帶領(lǐng)光通信技術(shù)邁向新的階梯。(3)連續(xù)光纖維激光器有傳統(tǒng)的單包層光纖維激光器改進(jìn)為雙包層光纖維激光器，單包層光纖維最大的缺點(diǎn)就是輸出功率低，輸出效能弱。外包層技術(shù)的應(yīng)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(yīng)用價(jià)值不高，在研究中將調(diào)Q光纖激光器應(yīng)用于單脈沖光纖維激光器，將其功率和峰值都提高了一個(gè)檔次，但在實(shí)際應(yīng)用中還是無法實(shí)現(xiàn)全光纖聚集，于是鎖模光纖維激光器誕生，它的產(chǎn)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(zhì)量上都比傳統(tǒng)的激光器有優(yōu)越性，輸出效率高是最值得一提的優(yōu)點(diǎn)，同時(shí)保質(zhì)保量，在外形上，光纖維激光器的體積較小，對(duì)于部分構(gòu)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(zhì)光學(xué)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(duì)應(yīng)產(chǎn)生不同波長的激光。在激光的全過程中首先，激光經(jīng)反光鏡1到達(dá)光纖芯，光線心中含有稀土離子，受到激發(fā)的稀土離子躍遷在經(jīng)過一系列的變化，有高能級(jí)轉(zhuǎn)化為低能級(jí)并釋放出能量，然后經(jīng)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(diào)制器件、增益介質(zhì)、諧振腔、泵浦源、和激光輸出五個(gè)部分構(gòu)成的。在構(gòu)造原理中，增益介質(zhì)，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(diào)制器件是中心構(gòu)造也是發(fā)揮其特殊性能的主要構(gòu)造。其中鎖模調(diào)制器可分為兩種，被動(dòng)與主動(dòng)鎖模調(diào)制器，兩種調(diào)制器的工作原理也是不同的，被動(dòng)鎖模調(diào)制器利用的是脈沖自身的光強(qiáng)度，多呈現(xiàn)窄脈寬，主動(dòng)鎖模調(diào)制器利用的是外部元件，其顯現(xiàn)寬脈寬，被動(dòng)與主動(dòng)鎖模調(diào)制器的區(qū)別是能否實(shí)現(xiàn)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(guān)。在傳統(tǒng)光纖維激光器的開發(fā)中，未來彌補(bǔ)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(wěn)定性，規(guī)定光纖芯尺寸在25m以內(nèi)。這種方法注定不能發(fā)展長遠(yuǎn)，期間對(duì)于激光器的光纖芯進(jìn)行過多種實(shí)驗(yàn)與結(jié)果對(duì)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(wěn)定性和高性能完美融合，高功率激光器的時(shí)代到來了。(2)能量密度的增大是功率的提升的動(dòng)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(shù)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(jīng)過實(shí)驗(yàn)研究表明，在光纖維輸入端輸入光強(qiáng)度增大的同時(shí)輸出效能也隨著提高。泵浦源和諧振腔的共同協(xié)助工作為激光器的功率提高提供一個(gè)堅(jiān)實(shí)的保障，放大器的功能也不容小噓。(4)調(diào)Q光纖激光器的開關(guān)時(shí)間。調(diào)Q光纖維激光器大致有兩種類型，包括被動(dòng)和主動(dòng)激光器，之所以稱為調(diào)Q光纖維激光器是因?yàn)槠涔ぷ髟硪钥刂浦C振腔的Q值為主要途徑。處于提升功率主導(dǎo)位置的是調(diào)Q光纖維激光器的開關(guān)時(shí)間，開關(guān)時(shí)間越短，提升功率速度越快，越能實(shí)現(xiàn)高功率激光器。(5)鎖模方式的實(shí)現(xiàn)和應(yīng)用。鎖模脈沖光纖維激光器的研究是在調(diào)Q激光器的基礎(chǔ)上實(shí)現(xiàn)的，相比較于一般的脈沖激光器，鎖模激光器的獨(dú)家秘密是鎖模調(diào)制器，在提高輸出功率和輸出時(shí)間的持續(xù)性方面都有突出優(yōu)越性。鎖模調(diào)制器的主要功能是將光線長度和重復(fù)頻率的關(guān)系進(jìn)行倒置，形成反比。

4 結(jié)語

光纖維激光器在科學(xué)技術(shù)的不斷發(fā)展的推動(dòng)下以進(jìn)步者的姿態(tài)持續(xù)的激進(jìn)，勢必會(huì)在不同行業(yè)發(fā)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(dá)兆，如此客觀的輸出功率，脈沖光纖維的利用程度會(huì)被大大提升的。

[1]高林柱.大功率光纖激光器研究進(jìn)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(jìn)展及其應(yīng)用[J].應(yīng)用光學(xué),2012(05).

[3]石永山.國外光纖激光器研究進(jìn)展[J].光電技術(shù)應(yīng)用,2013(06).

閆文強(qiáng)(1992—),男,漢,山西省朔州市懷仁縣云中鎮(zhèn),大連理工大學(xué),本科,機(jī)械制造及其自動(dòng)化。