光纖是光導纖維的簡稱，通常是一種圓柱形的光波波導。它利用全反射的原理把光波約束在纖芯，并引導光波沿著光纖軸線方向傳輸。用石英玻璃代替銅線改變了世界。

光纖作為一種傳導光波的介質(zhì)，自1966年被高錕提出以來，憑借其通信容量大、抗干擾能力強、傳輸損耗低、中繼距離長、保密性能好、適應能力強、體積小、重量輕、原材料來源豐富等優(yōu)點被廣泛應用。隨著光纖性能的日趨完美和實用化，光纖對電信行業(yè)的變革產(chǎn)生了革命性的推動，它已經(jīng)基本取代銅線成了現(xiàn)代通信中的核心組成部分。

光纖通信系統(tǒng)是一種以光為信息載波、光纖為導波介質(zhì)的通信系統(tǒng)，光纖傳輸信息時，把電信號轉(zhuǎn)變?yōu)楣庑盘?，然后在光纖內(nèi)部進行傳輸。作為一項新興的通信技術(shù)，光纖通信從一開始就顯示出了無比的優(yōu)越性，引起了人們的極大興趣和廣泛關(guān)注。光纖在通信中的廣泛應用也同時促進了光纖放大器和光纖激光器的飛速發(fā)展。除了通信領(lǐng)域，光纖系統(tǒng)在醫(yī)學、傳感等領(lǐng)域也有廣泛的應用。

光纖

光纖激光器的增益介質(zhì)為有源光纖．按其結(jié)構(gòu)可以分為單模光纖，雙包層光纖和光子晶體光纖三種。單模光纖單模光纖由纖芯、包層和涂覆層組成，其中纖芯材料的折射率n1，比包層材料折射率n2要高．當入射光的入射角大于臨界角時，光束在纖芯內(nèi)發(fā)生全發(fā)射，因而光纖能夠?qū)⒐馐`在纖芯內(nèi)傳播。單模光纖的內(nèi)包層對多模泵浦光不能起到約束作用，并且纖芯的數(shù)值孔徑低，因此只能采用單模泵浦光耦合進入纖芯才能獲得激光輸出。早期的光纖激光器都是采用這種單模光纖，導致耦合效率低，激光器只有毫瓦量級的輸出功率。

以光纖作為激光增益介質(zhì)的激光器被稱為光纖激光器。與其他類型的激光器一樣，由增益介質(zhì)、泵浦源和諧振腔三個部分組成。光纖激光器使用纖芯中摻雜有稀土元素的有源光纖作為增益介質(zhì)。一般采用半導體激光器作為泵浦源。而諧振腔則一般利用反射鏡、光纖端面、光纖環(huán)形鏡或光纖光柵等器件構(gòu)成。

根據(jù)光纖激光器的時域特性，可以分為連續(xù)光纖激光器和脈沖光纖激光器；根據(jù)諧振腔結(jié)構(gòu)不同，可以分為線形腔光纖激光器、分布反饋式光纖激光器和環(huán)形腔光纖激光器；根據(jù)增益光纖和泵浦方式的不同，可以分為單包層光纖激光器(纖芯泵浦)和雙包層光纖激光器(包層泵浦)。

高功率光纖激光器的特點

高功率光纖激光器的優(yōu)點具體表現(xiàn)如下。

(1)光束質(zhì)量好。光纖的波導結(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納米的半導體激光器，由于Yb3+的能級結(jié)構(gòu)簡單，上轉(zhuǎn)換、激發(fā)態(tài)吸收和濃度猝滅等現(xiàn)象較少出現(xiàn)，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。

高功率光纖激光器也有難以克服的缺點：一是易受非線性效應的制約。光纖激光由于其波導的幾何結(jié)構(gòu)，有效長度較長，各種非線性效應的閾值較低。一些有害的非線性效應如受激拉曼散射(SRS)、自相位調(diào)制(SPM)等會造成相位的起伏和頻譜上能量的轉(zhuǎn)移，甚至是激光系統(tǒng)的損傷，限制了高功率光纖激光器的發(fā)展。二是光子暗化效應。隨著泵浦作用時間的增加，光子暗化效應會導致高摻雜濃度的摻稀土元素光纖的功率轉(zhuǎn)換效率單調(diào)不可逆地下降，制約著高功率光纖激光器的長期穩(wěn)定性和使用壽命，這一點在摻鐿的高功率光纖激光器中尤為明顯。

高功率光纖激光器的典型應用

光纖激光器因其光束質(zhì)量好、電光效率高、結(jié)構(gòu)緊湊、可靠性好等優(yōu)點，在工業(yè)加工、醫(yī)療、遙感、安防、科研等領(lǐng)域有全方位的優(yōu)異表現(xiàn)。

在工業(yè)領(lǐng)域，按照輸出功率可以將光纖激光器劃分為三個層次：低功率光纖激光器(<50瓦)，主要應用于微結(jié)構(gòu)加工、激光打標、調(diào)阻、精密鉆孔、金屬雕刻等；中功率光纖激光器(50～500瓦)，主要應用于薄金屬板的打孔、焊接、切割和表面處理；高功率光纖激光器(>1000瓦)，主要應用于厚金屬板的切割、金屬表面涂覆、特殊板材的三維加工等。光纖的柔性特征，能夠很好地與機器手臂結(jié)合起來，滿足各種復雜工業(yè)環(huán)境的應用要求。近年來興起的3D打印技術(shù)，尤其需要這種高亮度的激光系統(tǒng)。

在醫(yī)療領(lǐng)域，最理想的激光波長是1.3微米，可用于診斷成像；1.5微米(水的吸收峰)到4微米之間則可用于外科手術(shù)。對于醫(yī)療應用，光纖激光器最大的優(yōu)勢是其緊湊小巧，可彎曲的幾何結(jié)構(gòu)。具有寬光譜范圍，高輸出功率的短相干波長光源是獲得高速、超高分辨率的光相干層析成像系統(tǒng)的關(guān)鍵。摻鉺光纖激光器和摻鐿的拉曼光纖激光器具有光學相干層析成像典型的要求：結(jié)構(gòu)小巧緊湊、堅固耐用、價格合理、相對高的功率和無需光學校準仍可達到較高的分辨率。高功率的摻鉺光纖激光器和摻銩光纖激光器則非常適合于醫(yī)療手術(shù)應用。研究人員發(fā)現(xiàn)激光不但可以快速切除和凝結(jié)軟組織，而且在1.94微米波長內(nèi)具有止血功能。而且由于光纖激光器優(yōu)異的光束質(zhì)量，其手術(shù)具有很高的精度。

在遙感領(lǐng)域，中紅外光纖激光器如摻鉺光纖激光器和摻銩光纖激光器的輸出波長位于大氣窗口，能夠低損耗地穿過大氣。尤其是摻銩光纖激光器在人眼安全波段更容易獲得高功率輸出，在功率放大方面更具有優(yōu)勢。光纖激光器的另外一個優(yōu)點是簡潔小巧、便攜性好，這將有助于降低航空或航天飛行載具的負荷。

在國防軍事領(lǐng)域，激光在雷達探測、保密通信、制導、殺傷等方面均有廣泛應用。從光纖激光器誕生起，就以其獨特的優(yōu)勢成為新一代激光武器的熱門候選光源。光纖激光器的高光束質(zhì)量特別適合遠距離傳輸能苗，其相對其他光源更加小巧的體積有利于發(fā)射平臺實現(xiàn)高機動性，提高在戰(zhàn)場上的適應能力和存活能力。

總而言之，從整個激光技術(shù)的發(fā)展趨勢來看，光纖激光技術(shù)代表了高功率、高亮度激光的發(fā)展方向．它把波導光纖技術(shù)與半導體激光泵浦技術(shù)有機地融為一體。以光纖為載體的高功率光纖激光有望滿足未來激光先進制造和軍事國防等領(lǐng)域?qū)Ω吖β?、高效率激光器的迫切需求，是一種對國民經(jīng)濟和國家安全均有重要戰(zhàn)略意義的前沿技術(shù)。高功率光纖激光器在能源勘探、大科學裝置、空間科學、環(huán)境科學等領(lǐng)域也表現(xiàn)出了巨大的應用潛力，將會成為人類認識世界、改造世界的有力工具。

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