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(guó)家，光纖激光器也是尖端、神秘和充滿誘惑的代名詞。 o<G 9t6~  
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一、光纖技術(shù) &,nv+>D  
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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(lái)耦合的激光器都不是真正意義上的光纖激光器。 U+S=MP }:  
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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(shù)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? LPvp (1  
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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。 Blpk n1  
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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。 L:i&OCU2k  
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二、傳統(tǒng)固體激光器 ;4F6 $T'I  
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激光器說(shuō)白了就是一個(gè)波長(zhǎng)轉(zhuǎn)換器---波長(zhǎng)短的泵浦光激勵(lì)摻雜離子轉(zhuǎn)換成長(zhǎng)波長(zhǎng)的光輻射，它一般由3部分組成：工作物質(zhì)、諧振腔和泵浦系統(tǒng)。由于光纖激光器本質(zhì)上屬于固體激光器，所以在此僅比較一下傳統(tǒng)Nd:YAG激光器的特性。 d ^bSV4  
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工作物質(zhì)： `ecseBn3d  
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工作物質(zhì)是固體激光器的心臟，它的物理性質(zhì)由基質(zhì)材料決定，光譜性質(zhì)由激活離子內(nèi)的能級(jí)結(jié)構(gòu)決定。在YAG單晶體中摻入三價(jià)的Nd3+，便構(gòu)成了目前廣泛應(yīng)用的YAG激光晶體。它主要有如下明顯的特點(diǎn)： 8g#$Y2P  
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1、YAG棒生長(zhǎng)速度很慢，一般小于1mm/h。目前最大晶體棒的直徑為40mm，長(zhǎng)180mm，所以激光增益從根本上受到限制，無(wú)法實(shí)現(xiàn)特高功率激光輸出。 sy&[Q{,4  
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2、工作物質(zhì)只要是晶體就無(wú)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。 ~A0]vcP  
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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(wú)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)。 mqSVd^  
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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(lái)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。 *$Q>Om]  
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5、處于亞穩(wěn)態(tài)能級(jí)的Nd3+離子平均壽命長(zhǎng)為300us，其最佳Q開(kāi)關(guān)重復(fù)頻率只能是1/300us，即3.3Khz，所以YAG激光器的Q開(kāi)關(guān)一般設(shè)定為3-5Khz而無(wú)法實(shí)現(xiàn)高頻工作。 &^=Lr:I  
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光學(xué)諧振腔： ]S2rqKB  
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傳統(tǒng)光學(xué)諧振腔主要由工作物質(zhì)兩端鍍了膜的兩塊鏡片組成，起著正反饋、選模和輸出耦合的作用。比較光纖激光器獨(dú)特的腔結(jié)構(gòu)，傳統(tǒng)光學(xué)諧振腔主要有如下特點(diǎn)： 77RZ<u9/`  
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1、由于是由兩塊鏡片組成，諧振腔受到機(jī)械振動(dòng)、熱透鏡效應(yīng)以及晶體棒熱焦距擾動(dòng)影響，從而造成激光無(wú)法正常出光，需極為煩瑣的調(diào)光與監(jiān)控。 T;w:^XW  
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2、腔鏡對(duì)灰塵、水分和雜物十分敏感，需經(jīng)常專業(yè)擦拭，否則影響激光功率。 5KCQvv\  
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3、腔長(zhǎng)長(zhǎng)度與輸出功率是一對(duì)矛盾，光束質(zhì)量與激光能量是一對(duì)矛盾；只有采取昂貴的選模/鎖模腔才可以實(shí)現(xiàn)高質(zhì)量的大功率輸出。 [|nK5(e9  
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4、從激光晶體激勵(lì)出來(lái)的初始激光不是單模光，而是一束直徑為幾毫米的光束，必須通過(guò)腔鏡衰減或選模機(jī)制來(lái)實(shí)現(xiàn)單模輸出，從而降低了整體轉(zhuǎn)換效率。 }\a#e^-xQ+  
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泵浦系統(tǒng)： ~f<']zXv  
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由于燈泵系統(tǒng)的優(yōu)缺點(diǎn)廣為人知，在此僅談?wù)凞PSSL的泵浦方式的某些特性： !3b& S4  
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1、由于DPPSSL主要是在泵浦系統(tǒng)上稍作改進(jìn)，它只能緩解激光棒熱效應(yīng)，而無(wú)法從本質(zhì)上根除晶體激光器的這個(gè)弊病。 x9lA';})  
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2、需嚴(yán)格控制LD的波長(zhǎng)在808-812nm之間，要么加冷卻系統(tǒng)，要么加波長(zhǎng)鎖定器，這是由于Nd :YAG晶體光譜特性所決定的。 /}:{(Go  
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3、如泵浦光聚焦在幾毫米的晶體端面進(jìn)行端泵，一是無(wú)法實(shí)現(xiàn)高功率輸出；二是泵浦光不能太強(qiáng)，否則膜層可能脫落，晶體棒無(wú)法及時(shí)散熱，甚至出現(xiàn)棒畸變。 q"d9C)Md  
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4、如泵浦光對(duì)晶體進(jìn)行側(cè)面泵浦，則一般為多模輸出，如不采取專門措施，無(wú)法提高光束質(zhì)量。 a&s34Pd  
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5、LD直接發(fā)射出的激光為高度高斯像散光束，在進(jìn)行端泵時(shí)需增加各種光學(xué)元件把泵浦光校準(zhǔn)、聚焦在晶體上，這些附加的光學(xué)器件必將受到機(jī)械振動(dòng)、灰塵和潮濕的影響，從而降低轉(zhuǎn)換效率。 F`D$bE;|  
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三、低功率光纖激光器 \@Wv{0a(  
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普通通訊用的光纖激光器輸出功率一般都是毫瓦級(jí)，其典型結(jié)構(gòu)如下圖： 4.9qB  
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它與我們傳統(tǒng)加工用的工業(yè)激光的顯著區(qū)別有： )*KMU?  
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