[轉(zhuǎn)載]高功率光纖激光器技術(shù)分析 [復(fù)制鏈接]

所謂高功率光纖激光器，是相對(duì)于光纖通訊中作為載波的低功率光纖激光器而言（功率為mW級(jí)），是定位于機(jī)械加工、激光醫(yī)療、汽車制造和軍事等行業(yè)的高強(qiáng)度光源。高功率光纖激光器巧妙地把光纖技術(shù)與激光原理有機(jī)地融為一體，鑄造了21世紀(jì)最先進(jìn)和最犀利的激光器。即使是在激光技術(shù)發(fā)達(dá)的國家，光纖激光器也是尖端、神秘和充滿誘惑的代名詞。 ^ OJyN,A  
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一、光纖技術(shù) $v.C0 x  
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光纖激光器的最大特點(diǎn)就是一根光纖穿到底，整臺(tái)機(jī)器高度實(shí)現(xiàn)光纖一體化。而那些只在外部導(dǎo)光部分采用光纖傳輸或者LD泵浦源采用尾纖來耦合的激光器都不是真正意義上的光纖激光器。 T`/IO.2  
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光纖是以SiO2為基質(zhì)材料拉成的玻璃實(shí)體纖維，主要廣泛應(yīng)用于光纖通訊，其導(dǎo)光原理就是光的全反射機(jī)理。普通裸光纖一般由中心高折射率玻璃芯(芯徑一般為9-62.5μm) 、中間低折射率硅玻璃包層 (芯徑一般為125μm) 和最外部的加強(qiáng)樹脂涂層組成。光纖可分為單模光纖和多模光纖。單模光纖：中心玻璃芯較細(xì)(直徑9μm+0.5μm)，只能傳一種模式的光，其模間色散很小，具有自選模和限模的功能。多模光纖：中心玻璃芯較粗 (50μm+1μm)，可傳多種模式的光，但其模間色散較大，傳輸?shù)墓獠患儭? O/%< }3Sq  
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用于高功率光纖激光器中的光纖不是普通的通訊光纖，而是摻雜了多種稀有離子、結(jié)構(gòu)更為復(fù)雜、耐高輻射的特種光纖---雙包層光纖。 M x5`yT7  
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雙包層光纖比普通光纖在纖芯外多了一個(gè)內(nèi)包層，對(duì)泵浦光而言是多模的，直徑和受光角較大，能大肆吸收高亮度的多模泵浦光，在光纖內(nèi)聚集大量的光子。實(shí)踐證明：橫截面為D型和矩形的雙包層光纖具有95%的耦合效率因而得到廣泛應(yīng)用。對(duì)于脈沖光纖激光器而言，一個(gè)重大的課題就是如何提高光纖的耐輻射能力。目前世界上光纖激光器的單脈沖能力可以達(dá)到20,000W，一根頭發(fā)絲大小的光纖如何能承受如此高的激光輻射？所以必須考慮在光纖內(nèi)摻雜某種特殊離子防止光纖被燒壞。比如摻雜了鈰離子的光纖就是在核輻射情況下，既不會(huì)因染色而失去透光能力，更不會(huì)受熱變形。 F1;lQA*7K.  
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二、傳統(tǒng)固體激光器 eC DIwB28  
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激光器說白了就是一個(gè)波長轉(zhuǎn)換器---波長短的泵浦光激勵(lì)摻雜離子轉(zhuǎn)換成長波長的光輻射，它一般由3部分組成：工作物質(zhì)、諧振腔和泵浦系統(tǒng)。由于光纖激光器本質(zhì)上屬于固體激光器，所以在此僅比較一下傳統(tǒng)Nd:YAG激光器的特性。 &M

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工作物質(zhì)： mN`YuR~  
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工作物質(zhì)是固體激光器的心臟，它的物理性質(zhì)由基質(zhì)材料決定，光譜性質(zhì)由激活離子內(nèi)的能級(jí)結(jié)構(gòu)決定。在YAG單晶體中摻入三價(jià)的Nd3+，便構(gòu)成了目前廣泛應(yīng)用的YAG激光晶體。它主要有如下明顯的特點(diǎn)： +@9gkPQQ-@  
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1、YAG棒生長速度很慢，一般小于1mm/h。目前最大晶體棒的直徑為40mm，長180mm，所以激光增益從根本上受到限制，無法實(shí)現(xiàn)特高功率激光輸出。 -kz4
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2、工作物質(zhì)只要是晶體就無法回避激光棒的熱透鏡效應(yīng)、熱應(yīng)變和熱致雙折射現(xiàn)象，嚴(yán)重時(shí)出現(xiàn)“激光淬滅”和激光棒斷裂；所以，YAG激光器效率很低。 kEeo5XN  
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3、Nd:YAG棒的主要吸收譜線在810nm附近，其帶寬約為2nm，所以要嚴(yán)格控制泵浦源的線寬，否則吸收無效反而造成熱損耗，所以YAG激光器一般要加龐大的冷卻系統(tǒng)。 + Y.1)i}  
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4、由于Nd3+半徑與Y3+半徑不完全相符，Nd3+離子摻入YAG晶體中在結(jié)構(gòu)上存有天生的缺陷造成光學(xué)瑕疵，不能夠在YAG晶體中摻入高濃度的Nd3+來實(shí)現(xiàn)高增益，這同時(shí)也是影響激光器光學(xué)性能的根本。 v7  
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5、處于亞穩(wěn)態(tài)能級(jí)的Nd3+離子平均壽命長為300us，其最佳Q開關(guān)重復(fù)頻率只能是1/300us，即3.3Khz，所以YAG激光器的Q開關(guān)一般設(shè)定為3-5Khz而無法實(shí)現(xiàn)高頻工作。 72W,FU~OD  
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光學(xué)諧振腔： p