脉冲光纤激光器光功率计的设计与研究

闫文强 梁涛 吴穹 管清韦

(大连理工大学,辽宁大连 116024)

脉冲光纤激光器光功率计的设计与研究

闫文强 梁涛 吴穹 管清韦

(大连理工大学,辽宁大连 116024)

光纤维激光器在应用过程以功率大小为衡量标准,光纤技术应用于激光器制作,两者完美融合,使得光纤维激光器有高能效率,低标准阈值,高质量光束等优点和特质。光纤维激光器有良好的发展前景,其用途分布范围广,应用效能高,尤其是在医疗,军事,通信等方面做出了突出贡献。脉冲光纤维激光器是光纤维激光器的一中,其输出功率较大,效能较高,应用范围较广。在不断提高光纤维激光功率的过程中,对于激光器各方面性能的质量保证优化也是一项重要的任务。

脉冲光纤维激光器 光功率计 创新与研究

随着科技的不断改革与创新，带来的不仅是焕然一新的世界，还有各种质量与性能双保障的高科技工具，在科学的演变的历史长河中，由传统的激光器转变为光纤维激光器，其工作效率比原来增加了几万倍或者更多。光纤维激光器类型包括连续光纤维激光器和脉冲光纤维激光器，本文以激光器的演变过程为出发点，详细的了解脉冲光纤维激光器的工作原理，把握脉冲光纤维激光器光功率计发展方向并进行现状分析和探讨。

1 激光器的演变过程和光纤维激光器的发展历程

(1)最早出现的是稀土光纤维激光器，他在美国的实验室出生，从1961年到1973年实验者又将石英光纤维应用于激光器，以低损耗为发展目的。经过十年磨练，石英光纤维激光器和半导体光纤维激光器的发展日益成熟，被逐步带入实际应用中，这两种激光器可以称为光纤维激光器的先驱，为其发展提供了技术基础。(2)20世纪80年代稀土光纤维激光器研究迈出了崭新的一步，1985年在英国实验室诞生了掺Er3+光纤，这意味着化学技术与光纤维激光器的完美融合。这些历史性的进步都可以证明光纤维市场有着很好的发展前途，光纤维的发展也带领光通信技术迈向新的阶梯。(3)连续光纤维激光器有传统的单包层光纤维激光器改进为双包层光纤维激光器，单包层光纤维最大的缺点就是输出功率低，输出效能弱。外包层技术的应用更好地解决了单包层光纤维的低功率缺陷，更有利于激光在包层中的折射与传输。(4)脉冲光纤维激光器的前身是单脉冲光纤维激光器，单脉冲光纤维激光器能量和峰值都比较低，应用价值不高，在研究中将调Q光纤激光器应用于单脉冲光纤维激光器，将其功率和峰值都提高了一个档次，但在实际应用中还是无法实现全光纤聚集，于是锁模光纤维激光器诞生，它的产生为高效能和高峰值提供了条件。(输出峰值功率=脉冲能量/脉宽平均功率=脉冲能量X重频平均功率=峰值功率X脉宽X重频)。

2 光纤维激光器的工作原理

光纤维激光器在输出功率和光束质量上都比传统的激光器有优越性，输出效率高是最值得一提的优点，同时保质保量，在外形上，光纤维激光器的体积较小，对于部分构造要求较低。

光纤维激光器是以光纤作为激光器的激光介质光学器件，不同类型的稀土粒子带来不一样的效果，其根本作用是在激光束的激光作用下，不同的稀土离子对应产生不同波长的激光。在激光的全过程中首先，激光经反光镜1到达光纤芯，光线心中含有稀土离子，受到激发的稀土离子跃迁在经过一系列的变化，有高能级转化为低能级并释放出能量，然后经过反射镜2，最后形成输出激光束。

锁模脉冲光纤激光器是由锁模调制器件、增益介质、谐振腔、泵浦源、和激光输出五个部分构成的。在构造原理中，增益介质，谐振腔，泵浦源和激光输出与一般的光纤维激光器相比大致相同，在锁模光纤维激光器中锁模调制器件是中心构造也是发挥其特殊性能的主要构造。其中锁模调制器可分为两种，被动与主动锁模调制器，两种调制器的工作原理也是不同的，被动锁模调制器利用的是脉冲自身的光强度，多呈现窄脉宽，主动锁模调制器利用的是外部元件，其显现宽脉宽，被动与主动锁模调制器的区别是能否实现全光纤聚集。

3 以提升脉冲光纤维激光器功率为主要研究方向

(1)光纤芯面积与激光器光率存在正相关。在传统光纤维激光器的开发中，未来弥补其性能的不足，一般制定光纤芯的面积，为了保证其输出功率的稳定性，规定光纤芯尺寸在25m以内。这种方法注定不能发展长远，期间对于激光器的光纤芯进行过多种实验与结果对比，都不太尽如人意，直到2008年，提出CCC fiber，这是历史性的一步，代表着光纤维激光器的输出稳定性和高性能完美融合，高功率激光器的时代到来了。(2)能量密度的增大是功率的提升的动力。增大能量密度主要手段有两种，其一增大能量输入，不改变其输入端面积；其二减少输入端面积，也可以采用增加增益粒子的数量为选择。(3)泵浦功率是提升激光器功率的保证。在选择光纤维激光器泵浦功能的原则上，经过实验研究表明，在光纤维输入端输入光强度增大的同时输出效能也随着提高。泵浦源和谐振腔的共同协助工作为激光器的功率提高提供一个坚实的保障，放大器的功能也不容小嘘。(4)调Q光纤激光器的开关时间。调Q光纤维激光器大致有两种类型，包括被动和主动激光器，之所以称为调Q光纤维激光器是因为其工作原理以控制谐振腔的Q值为主要途径。处于提升功率主导位置的是调Q光纤维激光器的开关时间，开关时间越短，提升功率速度越快，越能实现高功率激光器。(5)锁模方式的实现和应用。锁模脉冲光纤维激光器的研究是在调Q激光器的基础上实现的，相比较于一般的脉冲激光器，锁模激光器的独家秘密是锁模调制器，在提高输出功率和输出时间的持续性方面都有突出优越性。锁模调制器的主要功能是将光线长度和重复频率的关系进行倒置，形成反比。

4 结语

光纤维激光器在科学技术的不断发展的推动下以进步者的姿态持续的激进，势必会在不同行业发挥其最大的功能特性。脉冲光纤维激光器的输出功率可大到几万甚至到达兆，如此客观的输出功率，脉冲光纤维的利用程度会被大大提升的。

[1]高林柱.大功率光纤激光器研究进展[J].中国激光,2012(08).

[2]段云锋,黄榜才.高能量脉冲光纤激光器研究进展及其应用[J].应用光学,2012(05).

[3]石永山.国外光纤激光器研究进展[J].光电技术应用,2013(06).

闫文强(1992—),男,汉,山西省朔州市怀仁县云中镇,大连理工大学,本科,机械制造及其自动化。