Multi-mode and parallel pumping
多模、并行泵浦示意图
多个二极管并行泵浦
More diodes are coupled into the fiber
Double cladding doped fiber
Output laser
Special coupler
并行泵浦示意图
高功率光纤激光器的工作原理-1


光纤激光器是在光纤放大器的基础上而发展起来 的。 它是利用掺杂稀土元素的光纤，再加上一个恰当 的反馈机制便形成了光纤激光器。 掺杂稀土元素的光纤就充当了光纤激光器的增益 介质。 在光纤激光器中有一根非常细的光纤纤芯，由于 外泵浦光的作用，在光纤内便很容易形成高功率 密度，从而引起激光工作物质能级的粒子数反转。 一般是采用光纤光栅构成光纤激光器的谐振腔。
多孔双包层光纤截面扫描电子显微镜照片
From refrences [4参考文献] core
Inner cladding
内包层多孔直径d=2.7m 孔间距=9.7 m
Outer cladding
外包层多孔直径d=12.3m
Outer jacket
多孔双包层光纤截面扫描电子显微镜照片

大
小孔内包层 低阈值,有效吸收
[1] [2]
Wavelength(nm)
光纤激光器包层泵浦技术示意图
cladding pumping technology in fiber laser
Pump diode with a broad-area 宽面的泵浦激光二极管
Cladding fiber and care doped rare earth elements 双包层光纤及掺杂稀土元素的纤芯
包层cladding 掺杂稀土元素的单模纤芯
Rare earth doped single mode core
单模输出 Laser output Single-mode
多模泵浦光 Multi-mode pump light
特殊设计的树杈形包层光纤
Cladding fiber in “the fork of a tree”shape
掺镱双包层泵浦光纤 低折射率的外包层光纤 输出端
高功率光纤激光器的工作原理-4
特殊耦合器
5m纤芯 多模Diode Pnmp Tapered Fiber Bundle
高功率光纤激光器的工作原理-5
Single mode output
7 MM Fiber 0.16 NA
Bundles with all MM ports for coupling to Yb-doped fiber
Yb3+离子能级图
激发态子能级e
2
F 5/2 能级
无辐射跃迁 亚稳态能级d 980nm泵浦
自发辐射跃迁1.06µm
2
F 7/2能级
基态子能级a 基态子能级c
Yb+3基态与激发态吸收谱
[1]Ground State Absorption [2]Excited State Gain
Paramenter(dB/m)

Z
光纤
柱面透镜
泵浦二极管
泵浦二极管
大功率宽面多模二极管的并行泵浦技术的优点

率，多个多模泵浦二极管并行设置，即可允许设计出很高功率输 出的光纤激光器。 2，无需热电冷却器。这种大功率的宽面多模二极管可在很高的 温度下工作。 3，很宽的泵浦波长范围。高功率光纤激光器内的活性包层光纤
1，高功率。一个多模泵浦二极管可辐射出大于100瓦的激光功
Multi-Mode input fiber
1,多模大功率激光二极管泵浦; 2,专门的耦合设计.
光纤激光器基本结构示意图
Sketch of fiber laser
泵浦光970nm 泵浦光970nm
光纤光栅10%反射
光纤光栅100%反射
输 激光
出
掺镱(Yb)光纤
几种泵浦方式

1
多模、包层泵浦示意图 Multi-mode,cladding pumping
Laser output 激光输出
宽面的泵浦激光二极管

多模泵浦二极管其 稳定性很高。几何 上的宽面就使得 LD的断面上的光 功率密度很低且通 过活性面的电流密 度亦很低。这样泵 浦二极管的可靠运 转寿命就会很长。
外包层
内包层
宽面二极管
纤芯
输出光束
包层光线横截面与包层泵浦技术示意图
Section of cladding fiber and cladding pumping technology
2 0 1 2 E j E j P 2k 2k Z

其中
P 0 E
见参考文献[7]
掺镱纤芯的吸收光谱
Multimode Absorption (dB/m)
Spectral absorption Yb+3
976nm
915,940nm
Wavelength (nm)
高功率光纤激光器的工作原理-2
高功率光纤激光器的关键技术:

用于泵浦的宽面、多模大功率激光二极管; 截面为梅花瓣形的内包层或多孔的双包层光 纤； 单模掺镱纤芯; 锥形捆扎或树叉形双包层光纤泵浦光导入口; 特殊耦合技术; 光纤光栅谐振腔.
高功率光纤激光器的工作原理-3
内包层 掺Yb单模纤芯 外包层 专利设计双包层泵浦光纤之截面gh Power Fiber Laser & Its Application
次目
摘要 引言 高功率光纤激光器的工作原理 高功率光纤激光器的特性及其应用展望
摘要
1，概要地描述高功率光纤激光器的基本工作原 理和关键技术; 2，介绍目前国际市场上刚出现的几种新颖的高 功率光纤激光器,并介绍它们的特征; 3，对高功率光纤激光器在一些领域中的应用进 行了展望。
引言


光纤激光器是当前激光技术研究领域中的前沿课题，它 的研究与应用亦日趋活跃。 国家自然科学基金委和“863”分别将其列入2002年的重 大研究课题和攻关项目。 随着激光二极管及其泵浦技术、光纤材料和工艺研究的 进展，适合多种不同应用目的的光纤激光器亦缤呈异彩 地涌现于世。 其应用领域也已从目前最为成熟的光纤通讯网络方面迅 速地向其他更为广阔的激光应用领域扩展。
在单模纤芯内被镱原子吸收的多模泵浦光
Multi-mode pump light is absorbed by ytterbium atoms in the single-mode core
掺稀土元素硅光纤的制作


使用MCVD (Modified Chemical Vapor Deposition)设 备 稀土元素溶液的掺杂 低折射率镀层制做双 包层光纤 超声成型
单模连续输出100瓦掺镱光纤激光器


主要特征：
1，光学输出功率100瓦以上； 2，最佳光束品质M^2<1.1; 3， 光纤发送20米以上； 4，线偏振选项； 5，紧凑封装； 6，无水冷； 7，10万小时无需维修的运转。
单模连续输出100瓦掺镱光纤激光器

高功率光纤激光器的工作原理- 6
若在包层光纤材料中掺杂不同 的稀土元素，例如掺杂铒(Er)， 铥(Tm)，镨(Pr)，镱(Yb)等不同 的稀土元素即会使得光纤激光器 有多种不同的激光波长输出。 如果用多个多模激光二极管同 时耦合至双包层光纤上，就可以 获得高功率的激光输出。
这就是被称之为双包层、多模、 并行泵浦技术。
高功率光纤激光器的主要优点


2002年1月,美国一公司推出一种掺镱的高功率光纤激光器，其连续出功率 高达700瓦 (波长为1.06m), 这种激光器的特点是： *转换效率高（可高达20%）； *寿命长（平均无故障工作时间在10万小时以上）； *可在恶劣的环境下工作（由于其共振腔置于光纤内部， 即使在高冲击，高震动，高湿度，有灰尘的条件下皆可正常运转，而环境 温度范围允许在-20 C至+70 C之间）； *无论是连续或脉冲的运转方式皆无需庞大的水冷或风冷系统. 只需一般的散热体或简便的风冷即可， *其外型紧凑体积小（光纤激光器模块的体积大约有一本字典的 大小）； *方便光纤导出； *易于系统集成； *无有体积庞大的电源系统。
光子晶体多孔双包层光纤截面扫描电子 显微镜照片

M
光子晶体多孔双包层光纤激光器强度 分布

M
参考文献[8]
梅花瓣形内包层光纤尺寸示意
第二包层掺氟石英
n=1.40 n=1.45
第一包层熔凝石英
125μ
90μ
8μ
纤芯--掺镱熔凝石英
n=1.46
Maxwell’s equation

泵浦掺镱光纤,在任意端面形状的包层区和光纤 内光的传播遵从Maxwell’s方程:
应用范围：
1，微雕刻； 2，材料处理； 3，产品打标； 4，微机械； 5，图形艺术成像； 6 ，非线性变频器泵 浦。
单模连续输出10W掺镱光纤激光器
倍频
单模连续输出100W掺镱光纤激光器
(2002,05之前)世界上最大功率的光纤激光器


主要特点：
1，激光器工作输出功率 >700瓦； 2，输出光束参数有最佳改善 <1.4mm*mrad； 3，具有很高的转换效率，高达20%； 4，单模光纤输出； 5，坚实而紧凑的封装； 6，无须维修之运转； 7，长寿命的泵浦二极管 (>100khrs)； 8，可记录工作输出的功率密度； 9，具有连续和脉冲的运转方式； 10，空气冷却； 11，焦点直径在焦长150 mm的情况是为50m.