激光器件的应用和发展前景1杨永存

1、商丘学院毕业设计（论文） 学号： 09302063阿拉伯数字 四号 Times New Roman激光器件的应用和发展前景研究中文黑体小三号，阿拉伯数字小三号Times New Roman。分 院 电子信息工程 专 业 名 称 电子科学与技术 班 级 0901 姓 名 杨永存 指 导 教 师 梁珍珍 居中，中文四号宋体加粗，阿拉伯数字四号Times New Roman加粗。2013年 4 月 8日摘要 本文简要阐述了光纤激光器件的结构和原理，主要阐述了其在通信、军事、国防、销毁弹药、微材料处理、造船业岩石及泥土材料处理、焊接、标刻、材料处理、材料、弯曲、激光切割、医疗、石油及航天等行业的应用，对光纤激光器件的发展做了回顾，并展望了光纤激光器件在新领域的应用前景，随着相关技术的完善，光纤激光器将向更广阔的领域发展，并有可能成为替代固体激光器和半导体激光器的新一代光源, 形成一个新兴的产业。关键词：光纤激光器,掺杂光纤,输出功率Abstract This paper briefly introduces the structure and principle of optical fibe

2、r laser device, mainly expounded in the communications, military, national defense, ammunition, micro material processing, shipbuilding rock and concrete processing, welding, marking, materials processing, materials, bending, laser cutting, medical, aerospace and other industries and oil application, on the optical fiber laser device development is reviewed, and the prospect of optical fiber laser device in new areas of application, along with related technical perfection, fiber lasers will be t

3、o the broader field of development, and has the potential to become an alternative solid laser and semiconductor laser of a new generation of light source, to form a new industry.Keywords: fiber lasers, doped optical fiber, output power目录1 绪论11.1课题背景11.2不同波长光纤激光器的研究进展11.2.1 1.0m附近 (掺Er3+，Er3+/Yb3+) 光纤激光器11 .2.3 2.0 m附近 (掺Tm3+，Ho3+) 光纤激光器21.2.4 2.8 m附近 (掺Ho3+，Er3+ 光纤激光器31.3 本文主要研究内容32 光纤激光器的结构及工作原理42.1 光纤激光器的结构43 光纤激光器件的应用63.1引言63.2 光纤激光器件的应用63.2.1 光纤激光器在通信中的应用63.2.2光纤激光器在军事中的应用73.2.2.1光纤激光器在国防中的

4、应用73.2.2.2 光纤激光器件在销毁弹药中的应用83.2.3光纤激光器在制造业的应用103.2.3.1光纤激光器件在微材料处理方面的应用103.2.3.2 光纤激光器件在造船业上的应用123.2.4光纤激光器在材料加工上的应用123.2.4.1岩石及泥土材料处理的应用123.2.4.2 焊接的应用123.2.4.3标刻应用133.2.5光纤激光器在医疗中的应用153.2.6 光纤激光器在石油及航天等领域中的应用164 光纤激光器的发展前景175 结论18致谢19参考文献20III1 绪论1.1课题背景 早在20世纪60年代,掺稀土元素光纤激光器伴随着激光技术的研究得以发展,但受早期光纤损耗太大的限制,光纤激光器的研究进展相对缓慢。直至80年代光纤通信才得以迅猛发展,特别是英国南安普敦大学用金属化学汽相沉积(MCVD)法制成低损耗的掺铒光纤,而掺铒光纤激光器激射波长恰好位于光通信的低损耗窗口,随着掺铒光纤放大器( EDFA)在光通信中地位的不断提高,才使光纤激光器再次受到世界各国的普遍关注,从而得到迅速发展且在通信领域发挥着越来越重要的作用。光纤激光器在降低阈值、振荡波长范围、波长可

5、调谐性等方面已取得了长足进步,是目前光通信领域中的新兴技术。它可以利用现有的通信系统支持更高的传输速率和带宽,是未来高码率密集波分复用系统和相干光通信的基础 ,并在未来通信领域中起着不可替代的作用。 1.2不同波长光纤激光器的研究进展1.2.1 1.0m附近 (掺Er3+，Er3+/Yb3+) 光纤激光器 1.0 m附近光纤激光器由于在光纤通信、激光制导、倍频激光光源、抽运光源等领域的应用而得到了广泛研究。目前，1.0 m附近光纤激光器的掺杂稀土离子主要有Yb3+离子和Nd3+离子等。早在上世纪80年代中期，Alcock等便在Nd3+离子掺杂光纤中实现了Nd3+离子4F3/24I9/2的激光发射，该激光波长在900945 nm内可调。而后，随着激光抽运光源的完善，Yb3+离子掺杂光纤激光器也被成功研制出来，其激光输出波长的调谐范围达到1.011.16 m。近年来，国内南开大学、中科院上海光机所、华南理工大学等课题组以掺Yb3+（掺Nd3+）玻璃光纤作为增益介质，相继研制了1.0 m附近激光输出的光纤激光器，并获得了较佳的激光光束质量和较高的输出功率。目前，英国南安普顿大学的课题组掺Yb

6、3+石英光纤激光器已实现了1800 W的高功率激光输出。 1.2.2 1.5 m附近 (掺Er3+，Er3+/Yb3+) 光纤激光器由于激光输出波长位于石英光纤的1.5 m光通信窗口附近，掺Er3+光纤激光器自上世纪90年代以来，成为了国内外研究的热点。随着研究者们对Er3+掺杂以及Er3+/Yb3+共掺玻璃光纤的激光输出性能的深入研究，关于1.5 m附近光纤激光器的研制已较成熟。英国南安普顿大学已经研制出了1.5 m附近激光输出功率超过150 W的光纤激光器，美国的NP Photonics公司、亚利桑那大学，以及我国南开大学、华南理工大学等研究机构也已经独立研制出1.5 m附近激光输出的掺Er3+光纤激光器。1 .2.3 2.0 m附近 (掺Tm3+，Ho3+) 光纤激光器2.0 m激光是人眼安全的激光，在气象监测、激光测距、激光雷达、遥感等方面具有广泛应用。此外，水分子在2.0 m附近有强烈的中红外吸收峰，用该波段激光进行手术，有利于加快血液凝结，减小手术创伤，因此，中红外光纤激光器在医疗和生命科学领域也具有重要的应用。目前，用于2.0 m附近中红外激光输出的激光激活粒子主要有Tm

7、3+和Ho3+离子等。利用Tm3+离子的3F43H6和Ho3+离子的5I75I8跃迁发射，可分别获得波长位于2.0 m和2.1m 附近的激光输出。早在1989年，Hanna等采用波长为1.064 m的Nd:YAG激光器作为抽运源，在掺Tm3+石英光纤中实现了2.038 m的激光发射。由于玻璃光纤的非晶态属性，Tm3+离子的激光发射波长可以在较大范围内调谐。美国NP Photonics公司的Geng等在掺Tm3+锗酸盐玻璃光纤激光器中，实现了位于17402017 nm、最大功率达到50 mW的单频激光输出。最近，美国Northrop Grumman 公司运用组束的方法，在单模掺Tm3+光纤激光器系统中实现了波长2040 nm、功率达到608 W的激光输出。Ho3+离子掺杂光纤激光器通常通过与Tm3+离子的共掺来实现中红外激光的高效发射，运用800nm附近的激光对Ho3+ ，Tm3+ 共掺光纤进行抽运，Tm3+和Ho3+ 离子之间可以发生有效的能量传递，从而实现波长在2.02.1 m的高效激光输出。 1.2.4 2.8 m附近 (掺Ho3+，Er3+ 光纤激光器由于2.8 m附近存在较强的

8、水分子吸收峰，因此，该波段光纤激光器在生物、医疗等领域具有潜在的应用。此外2.8 m光纤激光器还可以用作中远红外激光器的抽运光源，因此，研究者们对2.8 m附近激光输出的光纤激光器进行了研究。目前，利用Er3+离子的4I11/24I13/2和Ho3+离子的5I65I7跃迁发射，可获得波长位于2.8 m附近的激光输出。由于2.8 m附近激光发射需要基质材料具有低声子能量和高的光学透过率，所以一般采用氟化物玻璃作为光纤基质。上世纪末，美国新墨西哥大学的Jain等运用Er3+/Pr3+共掺ZBLAN光纤作为光纤激光器的增益介质，首次获得了Er3+离子位于2.8 m附近的激光输出。 1.3 本文主要研究内容 本文简要介绍了光纤激光器件的结构和原理，主要阐述了光纤激光器件在通信、军事、制造业、医疗、石油及航天上应用，分析了国内外光纤激光器件的研究进展。光器对光纤激件的发展前景做了科学的展望。光纤激光器因其独有的性能和优点受到世界各国的普遍重视。本文简要介绍了光纤激光器的结构、工作原理、分类、特点及其研究进展，最后对光纤激光器的发展前景进行了远望。2 光纤激光器的结构及工作原理2.1 光纤激光器的

9、结构和传统的固体、气体激光器一样。光纤激光器基本也是由泵浦源、增益介质、谐振腔三个基本的要素组成。泵浦源一般采用高功率半导体激光器(LD)，增益介质为稀土掺杂光纤或普通非线性光纤，谐振腔可以由光纤光栅等光学反馈元件构成各种直线型谐振腔，也可以用耦合器构成各种环形谐振腔泵浦光经适当的光学系统耦合进入增益光纤，增益光纤在吸收泵浦光后形成粒子数反转或非线性增益并产生自发辐射所产生的自发辐射光经受激放大和谐振腔的选模作用后最终形成稳定激光输出。图1为典型的光纤激光器的基本构型。增益介质为掺稀土离子的光纤芯，掺杂光纤夹在2个仔细选择的反射镜之间从而构成FP谐振器。泵浦光束从第1个反射镜入射到稀土掺杂光纤中激射输出光从第2个反射镜输出来。掺稀土元素的光纤放大器促进了光纤激光器的发展，因为光纤放大器可以通过适当的反馈机理形成光纤激光器。当泵浦光通过光纤中的稀土离子时就会被稀土离子所吸收。这时吸收光子能量的稀土原子电子就会激励到较高激射能级，从而实现离子数反转，反转后的离子数就会以辐射形式从高能级转移到基态，并且释放出能量，完成受激辐射。从激发态到基态的辐射方式有2种：自发辐射和受激辐射。其中，受激辐射是一种同频率、同相位的辐射，可以形成相干性很好的激光。激

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