光纖是光導(dǎo)纖維的簡(jiǎn)稱，通常是一種圓柱形的光波波導(dǎo)。它利用全反射的原理把光波約束在纖芯，并引導(dǎo)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(dǎo)光波的介質(zhì)，自1966年被高錕提出以來(lái)，憑借其通信容量大、抗干擾能力強(qiáng)、傳輸損耗低、中繼距離長(zhǎng)、保密性能好、適應(yīng)能力強(qiáng)、體積小、重量輕、原材料來(lái)源豐富等優(yōu)點(diǎn)被廣泛應(yīng)用。隨著光纖性能的日趨完美和實(shí)用化，光纖對(duì)電信行業(yè)的變革產(chǎn)生了革命性的推動(dòng)，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(dǎo)波介質(zhì)的通信系統(tǒng)，光纖傳輸信息時(shí)，把電信號(hào)轉(zhuǎn)變?yōu)楣庑盘?hào)，然后在光纖內(nèi)部進(jìn)行傳輸。作為一項(xiàng)新興的通信技術(shù)，光纖通信從一開(kāi)始就顯示出了無(wú)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(yīng)用也同時(shí)促進(jìn)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(xué)、傳感等領(lǐng)域也有廣泛的應(yīng)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(dāng)入射光的入射角大于臨界角時(shí)，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(duì)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(jìn)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(dǎo)致耦合效率低，激光器只有毫瓦量級(jí)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(gè)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(dǎo)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(shí)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(diǎn)

高功率光纖激光器的優(yōu)點(diǎn)具體表現(xiàn)如下。

(1)光束質(zhì)量好。光纖的波導(dǎo)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(guò)選擇發(fā)射波長(zhǎng)和摻雜稀土元素吸收特性相匹配的半導(dǎo)體激光器為泵浦源，可以實(shí)現(xiàn)很高的光一光轉(zhuǎn)化效率。對(duì)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(dǎo)體激光器，由于Yb3+的能級(jí)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)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(zhǎng)，能夠有效儲(chǔ)存能量以實(shí)現(xiàn)高功率運(yùn)作。商業(yè)化光纖激光器的總體電光效率高達(dá)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(xì)長(zhǎng)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(shì)。中低功率情況下無(wú)需對(duì)光纖進(jìn)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(jiàn)的由于熱效應(yīng)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(xì)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(dǎo)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(shí)現(xiàn)全光纖化，對(duì)環(huán)境擾動(dòng)免疫能力高，具有很高的穩(wěn)定性，可節(jié)省維護(hù)時(shí)間和費(fèi)用。

高功率光纖激光器也有難以克服的缺點(diǎn)：一是易受非線性效應(yīng)的制約。光纖激光由于其波導(dǎo)的幾何結(jié)構(gòu)，有效長(zhǎng)度較長(zhǎng)，各種非線性效應(yīng)的閾值較低。一些有害的非線性效應(yīng)如受激拉曼散射(SRS)、自相位調(diào)制(SPM)等會(huì)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(yīng)。隨著泵浦作用時(shí)間的增加，光子暗化效應(yīng)會(huì)導(dǎo)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(zhǎng)期穩(wěn)定性和使用壽命，這一點(diǎn)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(yīng)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(diǎn)，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(gè)層次：低功率光纖激光器(<50瓦)，主要應(yīng)用于微結(jié)構(gòu)加工、激光打標(biāo)、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(yīng)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(yīng)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(jī)器手臂結(jié)合起來(lái)，滿足各種復(fù)雜工業(yè)環(huán)境的應(yīng)用要求。近年來(lái)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(zhǎng)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(duì)于醫(yī)療應(yīng)用，光纖激光器最大的優(yōu)勢(shì)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(zhǎng)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(xué)相干層析成像典型的要求：結(jié)構(gòu)小巧緊湊、堅(jiān)固耐用、價(jià)格合理、相對(duì)高的功率和無(wú)需光學(xué)校準(zhǔn)仍可達(dá)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(yīng)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(zhǎng)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(zhǎng)位于大氣窗口，能夠低損耗地穿過(guò)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(shì)。光纖激光器的另外一個(gè)優(yōu)點(diǎn)是簡(jiǎn)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(fù)荷。

在國(guó)防軍事領(lǐng)域，激光在雷達(dá)探測(cè)、保密通信、制導(dǎo)、殺傷等方面均有廣泛應(yīng)用。從光纖激光器誕生起，就以其獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)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(yuǎn)距離傳輸能苗，其相對(duì)其他光源更加小巧的體積有利于發(fā)射平臺(tái)實(shí)現(xiàn)高機(jī)動(dòng)性，提高在戰(zhàn)場(chǎng)上的適應(yīng)能力和存活能力。

總而言之，從整個(gè)激光技術(shù)的發(fā)展趨勢(shì)來(lái)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(dǎo)光纖技術(shù)與半導(dǎo)體激光泵浦技術(shù)有機(jī)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(lái)激光先進(jìn)制造和軍事國(guó)防等領(lǐng)域?qū)Ω吖β?、高效率激光器的迫切需求，是一種對(duì)國(guó)民經(jīng)濟(jì)和國(guó)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(xué)裝置、空間科學(xué)、環(huán)境科學(xué)等領(lǐng)域也表現(xiàn)出了巨大的應(yīng)用潛力，將會(huì)成為人類認(rèn)識(shí)世界、改造世界的有力工具。

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