1、目錄第一章、激光基礎(chǔ)第二章、激光器第三章、光纖的特性第四章、光纖激光器第五章、實(shí)驗(yàn)室激光器型號(hào)及操作安全第一章激光基礎(chǔ)1.1什么是激光激光在我國(guó)最初被稱(chēng)為萊賽”即英語(yǔ)Laser的譯音，而“Laser”是Lightamplificationbystimulatedemissionofradiation”的縮寫(xiě)。意為“輻射的受激發(fā)射光放大”，大約在1964年，根據(jù)錢(qián)學(xué)森院士的建議，改名為“激光”。激光是通過(guò)人工方式，用光或者放電等強(qiáng)能量激發(fā)特定的物質(zhì)而產(chǎn)生的光。激光的四大特性：高亮度、高單色性、高方向性、高相干性。具有高亮度的激光束經(jīng)過(guò)透鏡聚焦后，能在焦點(diǎn)附近產(chǎn)生數(shù)千度乃至上萬(wàn)度的高溫，這就使其能

2、夠加工幾乎所有材料。由于激光的單色性極高，從而保證了光束能精確地聚焦到焦點(diǎn)上，得到很高的功率密度。激光產(chǎn)生的基本理論原子能級(jí)和輻射躍遷按照玻爾的氫原子理論，繞原子核高速旋轉(zhuǎn)的電子具有一系列不連續(xù)的軌道這些軌道稱(chēng)為能級(jí),如圖1-1。電子激發(fā)態(tài)基態(tài)泵浦圖1-1原子能級(jí)圖當(dāng)電子在不同的能級(jí)時(shí)，原子系統(tǒng)的能量是不相同的，能量最低的能級(jí)稱(chēng)為基態(tài)。當(dāng)電子由于外界的作用從較低的能級(jí)躍遷到較高的能級(jí)時(shí)，原子的能量增泵浦電子0原子核圖1-2電子躍遷圖加，從外界吸收能量。反之，電子從較高能級(jí)躍遷到較低能級(jí)時(shí)，向外界發(fā)出能量。在這個(gè)過(guò)程中，若原子吸收或發(fā)出的能量是光能（輻射能），則稱(chēng)此過(guò)程為輻射躍遷。發(fā)出或吸收的光

3、的頻率滿足普朗克公式（hv=E2-E1）。受激吸收、自發(fā)輻射、和受激輻射受激吸收：處于低能級(jí)上的原子，吸收外來(lái)能量后躍遷到高能級(jí)，則稱(chēng)之為受激吸收。自發(fā)輻射：由于物質(zhì)有趨于最低能量的本能，處于高能級(jí)上的原子總是要自發(fā)躍遷到低能級(jí)上去，如果躍遷中發(fā)出光子，則這個(gè)過(guò)程稱(chēng)為自發(fā)輻射。Eihvhvhv時(shí)MrMArhv時(shí)L1Ie2受激呱收自發(fā)輻射覺(jué)激輻射兩個(gè)能級(jí)之間的能量差越大，自發(fā)輻射過(guò)程所放出的光子頻率就越高。如同彈琴，如果用力拉緊琴弦，琴發(fā)出的音調(diào)頻率就高，反之則低。自發(fā)輻射光極為常見(jiàn)，普通光源的發(fā)光就包含受激吸收與自發(fā)輻射過(guò)程。前一過(guò)程是粒子由于吸收外界能量而被激發(fā)至高能態(tài)；后一過(guò)程是高能態(tài)粒子

4、自發(fā)地躍遷回低能態(tài)并同時(shí)輻射光子。當(dāng)外界不斷地提供能量時(shí)，粒子就會(huì)不斷地由受激吸收到自發(fā)輻射，再受激吸收，再自發(fā)輻射如此循環(huán)不止地進(jìn)行下去。每循環(huán)一次，放出一個(gè)光子，光就這樣產(chǎn)生了。以電燈為例：接通電源后，電流流經(jīng)燈泡中的發(fā)光物質(zhì)鎢絲，鎢絲被灼熱，使鎢原子躍遷至高能態(tài)，然后又自發(fā)躍遷回低能態(tài)并同時(shí)輻射出光子，于是燈泡就亮了。受激輻射：處于高能級(jí)E2上的原子，受外來(lái)頻率（滿足hv=E2-E1）的光子的激勵(lì)，從E2躍遷到E1，發(fā)出一個(gè)和外來(lái)光子完全相同的光子，稱(chēng)為受激輻射。受激輻射和自發(fā)輻射有本質(zhì)的區(qū)別：前者是受激產(chǎn)生，躍遷時(shí)產(chǎn)生的光子與外來(lái)光子在頻率、相位、方向、和偏振方向上完全一致，吸收一個(gè)光

5、子，放出兩個(gè)光子，產(chǎn)生的光子相當(dāng)于加強(qiáng)了外來(lái)光子，即光放大作用。而自發(fā)輻射的光子頻率不同，是雜亂無(wú)章的，完全不相干的。光放大作用簡(jiǎn)單地說(shuō)，就是輸入是一個(gè)外來(lái)光子，而輸出的則是性質(zhì)與外來(lái)光子一模一樣的兩個(gè)光子，因?yàn)樵谳敵龅膬蓚€(gè)光子中，一個(gè)就是外來(lái)光子本身，而另一個(gè)則是在受激輻射過(guò)程中釋放出來(lái)的，即是被外來(lái)光子“激”出來(lái)的。一個(gè)光子激發(fā)一個(gè)粒子產(chǎn)生受激輻射，得到兩個(gè)完全相同的光子，這就是光的“放大”。這兩個(gè)光子再去激發(fā)兩個(gè)粒子產(chǎn)生受激輻射，就可以得到完全相同的4個(gè)光子，4、8、16如此鏈鎖反應(yīng)，完全相同的光子數(shù)目便會(huì)越來(lái)越多，可見(jiàn)受激輻射過(guò)程也就是光放大的過(guò)程。在受激輻射過(guò)程中產(chǎn)生并被放大了的光，

6、便是激光。粒子反轉(zhuǎn)分布從光的放大作用可以看出，要想實(shí)現(xiàn)放大，則必須輸入外來(lái)光子（即種子光，后面要講的泵浦光），并且要有可供受激輻射的處在高能級(jí)的原子。在平衡狀態(tài)下，粒子（原子、分子等）在各能級(jí)的分布滿足玻爾茲曼公式，即能級(jí)的能量愈高，上面的粒子數(shù)越少。這時(shí)如果給粒子系統(tǒng)提供一個(gè)外來(lái)能量，使低能級(jí)上的粒子吸收能量躍遷至高能級(jí)上，使高能級(jí)上的粒子數(shù)多于低能級(jí)上的粒子數(shù)，這個(gè)過(guò)程即稱(chēng)為粒子集居數(shù)反轉(zhuǎn)。只有在兩個(gè)形成了粒子數(shù)反轉(zhuǎn)的能級(jí)之間，受激輻射的分量才能大于受激吸收，光才能得到放大。（a）反轉(zhuǎn)分布狀態(tài)的能級(jí)圖激光產(chǎn)生的三要素：激勵(lì)源，工作介質(zhì)，諧振腔一、激勵(lì)源要想把處于低能態(tài)的粒子送到高能態(tài)去，就

7、得借助外力工具來(lái)實(shí)現(xiàn)。這個(gè)過(guò)程類(lèi)似于把水位很低的河水或井水抽運(yùn)到水塔上的蓄水池里，必須要有足夠功率的水泵作功才成。同理，要實(shí)現(xiàn)粒子數(shù)反轉(zhuǎn)，首先必須消耗一定的能量把大量粒子從低能級(jí)“搬運(yùn)”到高能級(jí)，這種過(guò)程在激光理論上叫做泵浦或激勵(lì)。由于其作用原理和水泵抽水相類(lèi)似，所以把能使大量的粒子從低能態(tài)抽運(yùn)到高能態(tài)的激勵(lì)裝置通稱(chēng)之為“光泵”?！肮獗谩敝皇窃诮忉屃Ｗ訑?shù)反轉(zhuǎn)時(shí)借用的一種形象的說(shuō)法。實(shí)際上粒子都是甘居低能態(tài)的，而且很頑固，并不是象水一樣很容易地就被泵抽運(yùn)走了。即使費(fèi)了很大勁把一部分抽運(yùn)到了高能態(tài)，但它們很快就又自發(fā)地躍回低能態(tài)了。怎么辦呢，那就需要加大能量不停頓地來(lái)轟擊。就是說(shuō)，激勵(lì)不僅要快，而

8、且要強(qiáng)有力。激勵(lì)作用總是通過(guò)消耗一定的能量來(lái)實(shí)現(xiàn)的，產(chǎn)生受激輻射所需要的最小激勵(lì)能量定義為激光器的閾值。閾值是描述激光器整體性能的一個(gè)重要參數(shù)。二、工作介質(zhì)在大千世界里，各種各樣的物質(zhì)都是由分子、原子、電子等微觀粒子組成的，如果有了強(qiáng)大的激勵(lì)是不是都能在物質(zhì)中實(shí)現(xiàn)粒子數(shù)反轉(zhuǎn)而產(chǎn)生激光呢?不是的，激勵(lì)只是一個(gè)外部條件，激光的產(chǎn)生還取決于合適的工作物質(zhì)，也稱(chēng)之為激光器的工作介質(zhì)，這才是激光產(chǎn)生的內(nèi)因。前面我們所講到的都是以二能級(jí)系統(tǒng)為例來(lái)討論的，也就是說(shuō)工作物質(zhì)只有高、低兩個(gè)能級(jí)。實(shí)際上目前所有已實(shí)現(xiàn)的激光輻射都是三能級(jí)或四能級(jí)系統(tǒng)。下圖是紅寶石激光器的鉻離子(Cr3+)的簡(jiǎn)化能級(jí)圖，這是一個(gè)典型

9、的三能級(jí)系統(tǒng)。外界激發(fā)作用將會(huì)把粒子從片抽運(yùn)到E3,被抽運(yùn)到E3的粒子很快通過(guò)無(wú)輻射躍遷轉(zhuǎn)移到E2，因?yàn)镋3的壽命只有10-9秒，即10億分之一秒，不允許粒子久留，所以此過(guò)程很快。但E2的亞穩(wěn)態(tài)，壽命較長(zhǎng)，約為10-3秒，即千分之一秒，允許粒子久留。隨著E1上的粒子不斷地被抽運(yùn)到E3,又很快轉(zhuǎn)移到E2,既然E2允許粒子久留，那么從E2到E1的自發(fā)輻射躍遷幾率就很小，于是粒子就在E2上積聚起來(lái)，從而實(shí)現(xiàn)E2對(duì)E1兩能級(jí)間的粒子數(shù)反轉(zhuǎn)。這個(gè)系統(tǒng)便能對(duì)誘發(fā)光子能量hV=E2片的光進(jìn)行光放大。顯然，E2能級(jí)好象一個(gè)水塔上的蓄水池，能夠貯存大量的粒子，只有亞穩(wěn)態(tài)級(jí)才具有這種能力，但并不是所有的發(fā)光物質(zhì)都

10、具有亞穩(wěn)態(tài)結(jié)構(gòu)，這就是有些物質(zhì)可以“激”出激光來(lái)，而有些物質(zhì)卻“激”不出來(lái)的道理。所以，具備亞穩(wěn)態(tài)能級(jí)結(jié)構(gòu)是對(duì)產(chǎn)生激光的工作物質(zhì)的起碼要求。三、諧振腔合適的工作物質(zhì)有了，實(shí)現(xiàn)粒子數(shù)反轉(zhuǎn)的激勵(lì)源有了，這下子該“激”出激光了吧!還不行，因?yàn)槿藗冊(cè)趯?shí)驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)這樣雖然可以產(chǎn)生受激輻射，但非常微弱，根本形不成可供人們使用的激光。這很自然的使人們想到了采用放大的辦法來(lái)解決這個(gè)問(wèn)題，于是出現(xiàn)了光學(xué)諧振腔。即利用兩個(gè)面對(duì)面的反射鏡，使放大了的光在鏡間來(lái)回被反射，反復(fù)通過(guò)鏡間的介質(zhì)不斷再放大，即反饋放大。兩個(gè)反射鏡可以是平面，也可以是球面。其中一個(gè)要求是反射率為100的全反射鏡，圖1-3諧振腔示意圖另一個(gè)是部分

11、反射鏡。比如，反射率為95時(shí)，5的光透射出去供人應(yīng)用，從而構(gòu)成光學(xué)諧振腔。因?yàn)槠鋫?cè)面是敞開(kāi)的，所以，又稱(chēng)作“開(kāi)放腔”。當(dāng)把激光介質(zhì)置于兩反射鏡之間后，即可構(gòu)成激光振蕩器。當(dāng)外界強(qiáng)光激勵(lì)置于兩鏡間的激光介質(zhì)時(shí)，就在亞穩(wěn)態(tài)級(jí)與穩(wěn)態(tài)級(jí)之間實(shí)現(xiàn)了粒子數(shù)反轉(zhuǎn)。處于亞穩(wěn)態(tài)級(jí)的粒子當(dāng)自發(fā)地躍遷到低能級(jí)時(shí)將自發(fā)輻射光子，但這種發(fā)射是無(wú)規(guī)律的，射向四面八方，其中一部分可以誘發(fā)激發(fā)態(tài)上的粒子產(chǎn)生受激輻射。從圖上可以看出，凡非腔軸方向的自發(fā)輻射，盡管它也可以誘發(fā)激發(fā)態(tài)上的粒子產(chǎn)生光放大，但因介質(zhì)體積有限，腔側(cè)面又是敞開(kāi)的，終將逸出腔外。所以，產(chǎn)生激光的作用不大。唯獨(dú)沿腔軸方向的自發(fā)輻射才起作用。每當(dāng)它碰到鏡面時(shí)，便

12、被反射沿原路折回，又重新通過(guò)介質(zhì)不斷誘發(fā)激發(fā)態(tài)上的粒子產(chǎn)生受激輻射光放大。由于受激輻射光在腔鏡間往返運(yùn)行，介質(zhì)被反復(fù)利用，腔軸方向受激輻射光就越來(lái)越強(qiáng)。其中一部分從部分反射鏡端射出，這就是激光；而其余部分留在腔內(nèi)繼續(xù)反饋放大以維持不斷的向外輻射激光。激光產(chǎn)生的流程圖如下所示：激光形成過(guò)程：泵浦（抽運(yùn)）粒子數(shù)反轉(zhuǎn)受激放大k振蕩放大達(dá)到閾值激光輸出圖1-4激光產(chǎn)生流程圖第二章激光器激光器的歷史激光器的發(fā)展史應(yīng)該追溯到1917年，愛(ài)因斯坦提出光的受激輻射的概念，預(yù)見(jiàn)到受激輻射光放大器誕生，也就是激光產(chǎn)生的可能性。20世紀(jì)50年代美國(guó)科學(xué)家湯斯及前蘇聯(lián)科學(xué)家普羅科霍羅夫等人分別獨(dú)立發(fā)明了一種低噪聲微波

13、放大器，即一種在微波波段的受激輻射放大器Maser(Microwaveamplificationbystimulatedemissionofradiation)。1958年美國(guó)科學(xué)家湯斯和肖洛提出在一定條件下，可將這種微波受激輻射放大器的原理推廣到光波波段，制成受激輻射光放大器Laser(Lightamplificationbystimulatedemissionofradiation)。1960年7月美國(guó)的梅曼宣布制成了第一臺(tái)紅寶石激光器。圖2-1梅曼的第一臺(tái)紅寶石激光器1961年我國(guó)科學(xué)家鄧錫銘、王之江制成我國(guó)第一臺(tái)紅寶石激光器，稱(chēng)其為“光學(xué)量子放大器”。隨后我國(guó)科學(xué)家錢(qián)學(xué)森建議統(tǒng)一翻譯成

14、“激光”或“激光器”。激光器的第一臺(tái)研制成功時(shí)間制研人紅寶石激光器（我國(guó)第一臺(tái)）1961年11月鄧錫銘、王之江lle-Ne激光器196弓年7月鄧錫銘等摻致玻璃激光器1963年6月干福熹G發(fā)肚同質(zhì)結(jié)半導(dǎo)體激光器1963年12月王守武CO?分子激光器1965年9月王潤(rùn)文等車(chē)小耳晶一臺(tái)圖2-3我國(guó)第一臺(tái)激光器2.2激光器的分類(lèi)圖2-2我國(guó)激光器發(fā)展歷史激光的歷史于1960年應(yīng)用3能級(jí)固體激光器的紅寶石激光器的振動(dòng)而拉開(kāi)了帷幕。對(duì)氣體激光器、半導(dǎo)體激光器、染料激光、光纖激光器等新激光材料、介質(zhì)的研究逐漸活躍地展開(kāi)?，F(xiàn)在，在工業(yè)用激光器中，二氧化碳激光器、準(zhǔn)分子激光器、Nd:YAG激光器、光纖激光器等已

15、被廣泛應(yīng)用。本節(jié)將按照增益介質(zhì)的不同對(duì)激光器進(jìn)行分類(lèi)，對(duì)各種代表性的激光增益介質(zhì)、泵浦方法、振蕩形態(tài)、振蕩波長(zhǎng)進(jìn)行描述。與激光器的特征有關(guān)的項(xiàng)目和種類(lèi)見(jiàn)表：增益介質(zhì)泵浦方法振蕩波長(zhǎng)振蕩運(yùn)轉(zhuǎn)液體燃料光紫外宜外CW脈沖氣體HeNe放電可見(jiàn)切卜CW惰性氣體離子HeCd紫外可見(jiàn)CWCW準(zhǔn)分子紫外脈洞一氧化碳遠(yuǎn)紅外CW.脈利1化學(xué)化學(xué)反應(yīng)紅外CW半導(dǎo)體化合翔半導(dǎo)體電流紫外切外cw脈神固體Kd：YAGYt：YAG光紅外CW.脈沖鈦藍(lán)寶石卜切卜光纖ErxYb.Tm光紅外CW.I1圖2-4激光器分類(lèi)圖（a）液體激光器液體激光器是以液體作為介質(zhì)的激光器。最被廣泛應(yīng)用的液體激光器的介質(zhì)是染料分子溶于有機(jī)溶劑中的有

16、機(jī)染料，實(shí)用化的液體激光器基本上是以有機(jī)染料為介質(zhì)的染料激光器。（b）氣體激光器氣體激光器是利用氣體分子作為激光介質(zhì)的激光器，一般泵浦方法是對(duì)封入到玻璃管（或陶瓷管）內(nèi)的氣體放電。因?yàn)榉烹姡患铀俚碾娮訉⒛芰哭D(zhuǎn)移到氣體激光介質(zhì)的原子（或離子和分子），原子被泵浦到激發(fā)態(tài)能級(jí)而形成反轉(zhuǎn)分布。根據(jù)激光介質(zhì)的氣體種類(lèi)的不同,又可以細(xì)分為HeNe激光器、惰性氣體激光器、準(zhǔn)分子激光器、二氧化碳激光器。（C）半導(dǎo)體激光器半導(dǎo)體激光器工作原理是利用半導(dǎo)體物質(zhì),即利用電子在能帶間躍遷發(fā)光。用半導(dǎo)體晶體的解理面形成兩個(gè)平行反射鏡面作為反射鏡，組成諧振腔，使光振蕩、反饋、產(chǎn)生光的輻射放大，輸出激光。半導(dǎo)體激光器優(yōu)點(diǎn)

17、是體積小、重量輕、運(yùn)轉(zhuǎn)可靠、耗電少、效率高等。固體激光器固體激光器的介質(zhì)是摻稀土離子的晶體或者玻璃，可以獲得小型化大功率的輸出。為了在固體激光器中形成光的反轉(zhuǎn)分布，要求介質(zhì)要有高透明度、耐熱性、熱傳導(dǎo)性、低溫依存性等。具有代表性的固體激光器時(shí)在晶體中摻入Nb的3價(jià)離子Nb3+釔鋁石榴石作為介質(zhì)的Nb:YAG激光器。光纖激光器光纖激光器(FiberLaser)是指用摻稀土元素玻璃光纖作為增益介質(zhì)的激光器，光纖激光器可在光纖放大器的基礎(chǔ)上開(kāi)發(fā)出來(lái)：在泵浦光的作用下光纖內(nèi)極易形成高功率密度，造成激光工作物質(zhì)的激光能級(jí)“粒子數(shù)反轉(zhuǎn)”，當(dāng)適當(dāng)加入正反饋回路(構(gòu)成諧振腔)便可形成激光振蕩輸出。第三章光纖的

18、特性光纖的構(gòu)造光纖是是光導(dǎo)纖維的簡(jiǎn)寫(xiě)，是由石英玻璃（由熔化后的SiO2制成）、塑料等透明電介質(zhì)材料制成的纖維，光被限制在光纖內(nèi)部傳播，傳輸原理是“光的全反射”。前香港中文大學(xué)校長(zhǎng)高錕和GeorgeA.Hockham首先提出光纖可以用于通訊傳輸?shù)脑O(shè)想，高錕因此獲得2009年諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)。圖3-1光纜光纖的典型結(jié)構(gòu)是一種細(xì)長(zhǎng)多層同軸圓柱形實(shí)體復(fù)合纖維，如圖3-2。自內(nèi)向外為：纖芯（芯層）-f包層-f涂覆層（被覆層）。核心部分為纖芯和包層，二者共同構(gòu)成介質(zhì)光波導(dǎo)，形成對(duì)光信號(hào)的傳導(dǎo)和約束，實(shí)現(xiàn)光的傳輸，所以又將二者構(gòu)成的光纖稱(chēng)為裸光纖。涂覆層又稱(chēng)被覆層，主要對(duì)裸光纖提供機(jī)械保護(hù)，可分為一次涂層和二

19、次涂層纖芯（芯層）：光纖的纖芯主要由具有高折射率（記為nl）的導(dǎo)光材料制成，如：SiO2光纖芯層材料多為石英玻璃，其中摻入GeO2和P2O5,它的作用是傳導(dǎo)光，使光信號(hào)在芯層內(nèi)部沿軸向向前傳輸。在纖芯中常常摻入稀土元素，這主要是為了提高折射率，使其折射率高于包層。包層：光纖的包層由低折射率（記為n2）導(dǎo)光材料制成（折射率較纖芯低），它的作用是約束光。由于纖芯和包層的折射率，滿足n1n2光傳導(dǎo)條件，光波在芯包界面上可發(fā)生全反射，使大部分的光能量被阻止在芯層中，從而導(dǎo)致光信號(hào)沿芯層軸向向前傳輸。他層2bZ圖3-2光纖結(jié)構(gòu)示意圖涂覆層（被覆層）：光纖涂覆層是為保護(hù)裸光纖、提高光纖機(jī)械強(qiáng)度和抗微彎強(qiáng)度

20、并降低衰減而涂覆的高分子材料層。一般情況下涂覆層有二層，內(nèi)層為低模量高分子材料，稱(chēng)為一次涂層；外層為高模量高分子材料，稱(chēng)為二次涂層。光纖的傳播特性光的入射角大于光纖的臨界角eC,具有多個(gè)光路的光可以在光纖中傳播（由傳播光的波長(zhǎng)、形狀和性質(zhì)決定光路的數(shù)量）光以不同入射角在光纖中傳播的情況如圖3-3所示。圖3-3光纖的模式基本模式和高次模式在光纖纖芯內(nèi)傳播的光波,可以分解為沿軸向傳播的平面波和沿垂直方向（剖面方向）傳播的平面波。沿剖面方向傳播的平面波在纖芯與包層的界面上將產(chǎn)生反射。如果此波在一個(gè)往復(fù)（入射和反射）中相位變化為2n的整數(shù)倍，就會(huì)形成駐波。只有能形成駐波的那些特定角度入射到光纖的光信號(hào)

21、才能在光纖內(nèi)傳播，這些光波就稱(chēng)為模式。入射到光纖角度最大的模式（和光纖軸最接近的模式）稱(chēng)為基本模式，比基本模式小的角度入射的模式稱(chēng)為高次模式。在光纖內(nèi)只能傳輸一定數(shù)量的模。通常纖芯直徑較粗（幾十微米及以上）時(shí)，能傳播幾百個(gè)以上的模，而纖芯很細(xì)（幾個(gè)微米）時(shí)，只能傳播一個(gè)模。前者稱(chēng)為多模光纖，后者為單模光纖。光纖的分類(lèi)按光纖截面折射率分布（1）階躍型光纖（SIF:StepIndexFiber）纖芯和包層折射率都是均勻分布，折射率在纖芯和包層的界面上發(fā)生突變。（2）漸變型光纖（GIF：GradedIndexFiber）包層折射率均勻分布，纖芯折射率隨著纖芯半徑增加而減少，是非均勻連續(xù)變化的。）光纖

22、剖面圖（b）階躍光纖（G）漸變光纖屮按光纖的模式根據(jù)傳導(dǎo)模數(shù)的不同，光纖可以分為單模光纖和多模光纖兩類(lèi)。所謂模是指以一定角速度進(jìn)入光纖的一束光，模式數(shù)就是光路數(shù)。（1）單模光纖（SMF：SingleModeFiber）隨著光纖的纖芯直徑的縮小，光纖中可以傳播的模式數(shù)減少，當(dāng)纖芯直徑小于一定值時(shí)，只剩下基本模式可以傳播，即只能允許一束光傳播，這樣的光纖稱(chēng)為單模光纖。在單模光纖中，光強(qiáng)度分布近似于高斯分布，光纖信號(hào)畸變很小，沒(méi)有模分散特性，因而，單模光纖的纖芯相應(yīng)較細(xì)，傳輸頻帶寬、容量大，傳輸距離長(zhǎng)，但因其需要激光源，成本較高。適用于長(zhǎng)距離、大容量的光纖通信系統(tǒng)。（2）多模光纖（MMF：Multi

23、ModeFiber）光纖中傳輸?shù)哪Ｊ讲恢挂粋€(gè)，即在光纖中存在多個(gè)傳導(dǎo)模式。多模光纖允許多束光在光纖中同時(shí)傳播，從而形成模分散（因?yàn)槊恳粋€(gè)“?！惫膺M(jìn)入光纖的角度不同它們到達(dá)另一端點(diǎn)的時(shí)間也不同，這種特征稱(chēng)為模分散），模分散技術(shù)限制了多模光纖的帶寬和距離，因此，多模光纖的芯線粗，傳輸速度低、距離短，整體的傳輸性能差，但其成本比較低，一般用于建筑物內(nèi)或地理位置相鄰的環(huán)境下。(a)(b)(c)3.4雙包層光纖到20世紀(jì)80年代為止，光纖激光器都是將泵浦光直接入射到光纖的纖芯中進(jìn)行泵浦的（纖芯直接泵浦光纖激光器）。但是對(duì)于單模光纖（SMF）的纖芯直接泵浦，因?yàn)樾緩椒浅＜?xì)，將高強(qiáng)度的泵浦光導(dǎo)入到纖芯中，無(wú)

24、論在技術(shù)上還是在材料方面都很困難（特別是使用空間輸出型LD的場(chǎng)合）。另外，對(duì)于多模光纖（MMF）的纖芯直接泵浦方式，光束品量降低，無(wú)法滿足大功率高光束品量的加工要求。但是，1988年大功率和高光束品量兼?zhèn)涞墓饫w激光器實(shí)現(xiàn)方法得到提議，就是使用雙包層光纖（DoubleCladFiber，DCF）進(jìn)行包層泵浦的光纖激光器（雙包層光纖激光器）。這種雙包層光纖激光器迅速普及，成為現(xiàn)在的大功率光纖激第四章光纖激光器4.1光纖激光器簡(jiǎn)介光纖激光器是使用摻稀土類(lèi)的光纖作為介質(zhì)的激光器。雖然它是固體激光器的一種，但是因?yàn)榻橘|(zhì)的形狀很不同，一般將Nd:YAG等的塊狀固體激光器與光纖激光器分開(kāi)來(lái)考慮。有連續(xù)（CW

25、）振蕩和脈沖振蕩的光纖激光器兩種，前者具有大功率，多應(yīng)用在切割和焊接方面，后者為小功率，多用在微細(xì)加工和打標(biāo)記方面。至今描述的塊狀固體激光器中，泵浦光和激光的耦合效率低，模式控制也比較困難。由于光學(xué)系統(tǒng)的反射鏡、透鏡等的塵埃附著，周?chē)h(huán)境的熱和機(jī)械影響帶來(lái)的光軸偏離等，導(dǎo)致發(fā)生輸出功率降低和光束品量變差等現(xiàn)象。更進(jìn)一步，隨著大功率化，熱透鏡效應(yīng)、熱致雙折射效應(yīng)等熱效應(yīng)變得顯著，所以光束品量圖4-1光纖激光器基本構(gòu)造圖4-1所示為光纖激光器的基本構(gòu)成，只有激光增益介質(zhì)選用光纖，由包含空間耦合元件在內(nèi)的法布里珀羅型光纖激光器的諧振腔構(gòu)成。如此，光纖激光器的構(gòu)成要素和固體激光器是一樣的，但塊狀的諧振

26、腔構(gòu)成元件可以用引線元件代替，可以減少元件數(shù)目。傳統(tǒng)的塊狀激光諧振腔的調(diào)整復(fù)雜，激光諧振腔的制作需要豐富的經(jīng)驗(yàn)和組裝時(shí)間。相對(duì)地，光纖激光器可以使用模塊化的光纖通信技術(shù)，一般人都可以簡(jiǎn)單地組裝穩(wěn)定的激光諧振腔。光纖激光器的實(shí)用化是從光通信帶（1.5Am）的摻鉺（Er）光纖激光器開(kāi)始的。1985年利用改進(jìn)型化學(xué)氣相沉積法制成了低損耗硅玻璃的單模光纖，1987年在硅玻璃光纖的損耗最低的1.54pm帶，開(kāi)發(fā)了低噪聲的摻Er光纖放大器（EDFA），所以才有不需要光電轉(zhuǎn)換的光信號(hào)而被直接放大成為可能。因?yàn)镋DFA的開(kāi)發(fā)，光通信市場(chǎng)開(kāi)始活躍，與900nm帶的InGaAs系LD的普及和高性能化一起，光纖激光

27、放大器的研究開(kāi)發(fā)得到了快速發(fā)展。光通信以外，最初被應(yīng)用的大功率光纖激光器是摻釹（Nd）的光纖激光器（釹纖維激光器）。1988年，先前的型芯泵浦概念被打破，而后是包層泵浦的Nd的光纖激光器登場(chǎng)以來(lái)，CW光纖激光器的輸出功率呈飛躍式增大。1999年采用包層泵浦Nd光纖的CW光纖激光器已達(dá)到100W,2002年已達(dá)到lkW。現(xiàn)在作為由于摻Nd介質(zhì)而具有優(yōu)良特性的大功率激光器的摻鐿（Yb）光纖激光器的研究發(fā)展很快。Yb光纖激光器的振蕩波長(zhǎng)在10301100nm之間，2005年摻Y(jié)b單模光纖激光器CW-2kW、2008年CW-6kW、2009年CW-10kW（商品化產(chǎn)品為2kW），多模50kW已制成。因

28、為光纖激光器的光束品量非常優(yōu)良，在切割加工、打標(biāo)記、遠(yuǎn)程焊接等工業(yè)應(yīng)用中，正在逐漸取代其他激光器。另外，在2pm帶，摻銩（Tm）光纖激光器（Tm光纖激光器）的研究得到進(jìn)展。因?yàn)榭梢詰?yīng)用在醫(yī)療設(shè)備和特殊加工等領(lǐng)域。光纖激光器的原理如圖4-2所示，光纖激光器的原理圖與其他激光器一樣，也是由最主要的三部分組成：泵浦源（LD）、工作介質(zhì)、諧振腔。在光纖激光器中，工作介質(zhì)是摻雜了稀土元素的光纖。首先種子光源由泵浦光產(chǎn)生，通過(guò)光學(xué)耦合系統(tǒng)將泵浦光導(dǎo)入到增益光纖中，產(chǎn)生受激輻射，在工作介質(zhì)中，種子光源被放大，但是還達(dá)不到我們需求的強(qiáng)度，這時(shí)諧振腔起到了振蕩光的作用，放大的光到達(dá)右邊的高反射鏡后絕大部分被重新

29、反射進(jìn)入增益光纖中，從而在增益光纖中再次發(fā)生受激輻射光放大。光源又一次被放大，諧振腔的左邊是一個(gè)全反射鏡，將光源再次反射，在兩面鏡子之間，光源每反射一次，激光就產(chǎn)生一次放大過(guò)程。直到光強(qiáng)度達(dá)到閥值后，放大光的一小部分才通過(guò)右邊的半反射鏡輸出，成為供人使用的激光，而其他95%的光則繼續(xù)被反射回去產(chǎn)生光放大。4.2光纖激光器的特點(diǎn)（1）小型輕量化光纖可以彎曲，所以可以做到小型輕量化。另外，激光頭可以做的很小，可以獲得柔軟性的系統(tǒng)更新。因此，可以降低裝置的購(gòu)置費(fèi)用，安裝場(chǎng)所也可以較靈活地決定。（2）不需要維護(hù)固體激光器隨著大功率化，由于熱透鏡效應(yīng)和熱致雙折射效應(yīng)等熱效應(yīng)顯著因此光束品量大幅降低。為此

30、，開(kāi)發(fā)塊體固體激光器時(shí)，冷卻方法必須慎重地設(shè)計(jì)。另一方面，光纖激光器的冷卻方法在100W以內(nèi)可以用空冷，這是因?yàn)樽鳛榧す饨橘|(zhì)的光纖的表面積/體積的比值要比塊狀固體激光器的棒形介質(zhì)大4個(gè)量級(jí)以上，有優(yōu)良的散熱性。（3）優(yōu)良的光束品量從光纖發(fā)射的激光NA（數(shù)值孔徑）較小，容易聚光。由此可以達(dá)到大功率密度化，實(shí)現(xiàn)高分辨率加工。另外，安裝到打標(biāo)記裝置中時(shí)，可以使用小型的掃描鏡，便可實(shí)現(xiàn)全部裝置的低價(jià)格、高速化。構(gòu)成內(nèi)置單模光纖，基本上可以獲得橫膜的單一化。（4）優(yōu)良的長(zhǎng)期穩(wěn)定性激光因?yàn)槭菑墓饫w中射出的，如果光纖是固定的話，光束的空間波動(dòng)基本上是沒(méi)有的。不包含自由空間光學(xué)系統(tǒng)的全光纖激光器中，由于沒(méi)有空

31、間光學(xué)元件，因此不容易受到塵埃附著和周?chē)h(huán)境熱的、機(jī)械的影響。另外，在激光加工應(yīng)用中，與最普及的CO2激光器相比，有優(yōu)點(diǎn)也有缺點(diǎn)，但光纖激光器的振蕩波長(zhǎng)較短、光束品質(zhì)優(yōu)良、焦點(diǎn)深度長(zhǎng)、用聚光用的普通透鏡對(duì)物體進(jìn)行加工也是可能的。（5）寬增益幅度、高增益、高效率作為廣泛使用的光纖激光器的增益介質(zhì)，摻稀土類(lèi)硅玻璃光纖有復(fù)雜的晶體場(chǎng)的影響，顯示出沒(méi)有微細(xì)構(gòu)造的寬光譜能級(jí)，與YAG晶體相比，可以實(shí)現(xiàn)寬帶的光放大。另外，即使光纖單位長(zhǎng)度的增益較小，相互作用長(zhǎng)度也很大，但是還可以得到足夠的綜合效益。而且泵浦光被封閉在光纖中，所以可以實(shí)現(xiàn)高效率泵浦（光光轉(zhuǎn)換效率約為70%，電光轉(zhuǎn)換效率約為30%）（6）容易

32、實(shí)現(xiàn)大功率化因?yàn)楸闷帜K可以串聯(lián)和并聯(lián)連接，所以很容易增加輸出功率。50kW的超大輸出功率CW光纖激光器（芯徑為100Am的光纖傳播）已經(jīng)實(shí)用化。（7）可以長(zhǎng)距離傳輸從光纖激光器輸出的激光，可以高效率地耦合到傳輸光纖中。使用傳輸用光纖，可以對(duì)與激光本體遠(yuǎn)離的加工對(duì)象物進(jìn)行加工。（8）容易產(chǎn)生非線性光學(xué)效應(yīng)光纖的芯徑小，相互作用長(zhǎng)度很長(zhǎng)，容易產(chǎn)生非線性光學(xué)效應(yīng)，所以不適合高強(qiáng)度的脈沖工作，激光的性能受到限制。但是，利用這種特征的、很多新的研究也在廣泛進(jìn)行中。第五章實(shí)驗(yàn)室激光器型號(hào)及操作安全5.1本實(shí)驗(yàn)室激光器簡(jiǎn)介本實(shí)驗(yàn)室使用的是德國(guó)ROFIN公司FL020型光纖激光器。該激光器在2013年5月1

33、3-16日舉行的德國(guó)慕尼黑光博會(huì)上首次亮相。這款FL020激光器一經(jīng)展出就成為一大亮點(diǎn)。FL型激光器是ROFIN公司于2013年最新推出的新一代光纖激光器。自投入市場(chǎng)以來(lái)，ROFINFL系列光纖激光器已在工業(yè)生產(chǎn)領(lǐng)域打下了穩(wěn)固的基礎(chǔ)，并在許多應(yīng)用領(lǐng)域以其高效、精密及成本效益著稱(chēng)。在2013年舉行的慕尼黑光博會(huì)上，ROFIN公司展出其FL020系列首個(gè)產(chǎn)品模型。更小巧緊湊、更簡(jiǎn)單易用是該系列產(chǎn)品新性能及設(shè)計(jì)增強(qiáng)的最好描述。2kW光纖激光器配備多達(dá)4條光纖輸出，安裝在一個(gè)小巧的壁掛式的外殼內(nèi)，既能同時(shí)提高光纖加工性，又降低了用水要求。ROFINFL系列所有光纖激光器均能提供極高的效率及卓越的光束質(zhì)量。通過(guò)使用直徑從100口m至800um不