光纖激光器

光纖激光器應用範圍非常廣泛，包括激光光纖通訊、激光空間遠距通訊、工業造船、汽車製造、激光雕刻激光打標激光切割、印刷制輥、金屬非金屬鑽孔/切割/焊接（銅焊、淬水、包層以及深度焊接）、軍事國防安全、醫療器械儀器設備、大型基礎建設，作為其他激光器的泵浦源等等。

光纖激光器是指用摻稀土元素玻璃光纖作為增益介質的激光器，光纖激光器可在光纖放大器的基礎上開發出出來。在泵浦光作用下光纖內很容易形成功率密度升高，造成激光工作物質的激光能級“粒子數反轉”，當適當加入正反饋迴路(構成諧振腔)便可形成激光振盪輸出。 ^[1] 

激光信號的產生需具備粒子數反轉、存在光反饋和達到激光閾值三個基本條件，因此激光器是由工作物質、泵浦源和諧振腔三部分組成。光纖激光器的基本結構如下，增益光纖為產生光子的增益介質；抽運光的作用是作為外部能量使增益介質達到粒子數反轉，也就是泵浦源；光學諧振腔由兩個反射鏡組成，作用是使光子得到反饋並在工作介質中得到放大。抽運光進入增益光纖後被吸收，進而使增益介質中能級粒子數發生反轉，當諧振腔內的增益高於損耗時在兩個反射鏡之間便會形成激光振盪，產生激光信號輸出。 ^[2] 

(1)光束質量好。

光纖的波導結構決定了光纖激光器易於獲得單橫模輸出，且受外界因素影響很小，能夠實現高亮度的激光輸出。

(2)高效率。

光纖激光器通過選擇發射波長和摻雜稀土元素吸收特性相匹配的半導體激光器為泵浦源，可以實現很高的光一光轉化效率。對於摻鐿的高功率光纖激光器，一般選擇915納米或975納米的半導體激光器，熒光壽命較長，能夠有效儲存能量以實現高功率運作。商業化光纖激光器的總體電光效率高達25%，有利於降低成本，節能環保。

(3)散熱特性好。

光纖激光器是採用細長的摻雜稀土元素光纖作為激光增益介質的，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勢。中低功率情況下無需對光纖進行特殊冷卻，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的由於熱效應引起的光束質量下降及效率下降。

(4)結構緊湊，可靠性高。

由於光纖激光器採用細小而柔軟的光纖作為激光增益介質，有利於壓縮體積、節約成本。泵浦源也是採用體積小、易於模塊化的半導體激光器，商業化產品一般可帶尾纖輸出，結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現全光纖化，對環境擾動免疫能力高，具有很高的穩定性，可節省維護時間和費用。 ^[3] 

1、晶體光纖激光器。工作物質是激光晶體光纖，主要有紅寶石單晶光纖激光器和nd3+：YAG單晶光纖激光器等。

2、非線性光學型光纖激光器。主要有受激喇曼散射光纖激光器和受激布里淵散射光纖激光器。

3、稀土類摻雜光纖激光器。光纖的基質材料是玻璃，向光纖中摻雜稀土類元素離子使之激活，而製成光纖激光器。

4、塑料光纖激光器。向塑料光纖芯部或包層內摻入激光染料而製成光纖激光器。

1、晶體光纖激光器。工作物質是激光晶體光纖，主要有紅寶石單晶光纖激光器和Nd3+:YAG單晶光纖激光器等。

2、非線性光學型光纖激光器。主要有受激喇曼散射光纖激光器和受激布里淵散射光纖激光器。

3、稀土類摻雜光纖激光器。向光纖中摻雜稀土類元素離子使之激活，(Nd3+、Er3+、Yb3+、Tm3+等，基質可以是石英玻璃、氟化鋯玻璃、單晶)而製成光纖激光器。

4、塑料光纖激光器。向塑料光纖芯部或包層內摻入激光染料而製成光纖激光器。

分為F-P腔、環形腔、環路反射器光纖諧振腔以及“8”字形腔、DBR光纖激光器、DFB光纖激光器等。

分為單包層光纖激光器、雙包層光纖激光器、光子晶體光纖激光器、特種光纖激光器。

分為連續光纖激光器和脈衝光纖激光器，其中脈衝光纖激光器根據其脈衝形成原理又可分為調Q光纖激光器(脈衝寬度為ns量級)和鎖模光纖激光器(脈衝寬度為ps或fs量級)。 ^[2] 

光纖激光器作為第三代激光技術的代表，具有以下優勢：

（1）玻璃光纖製造成本低、技術成熟及其光纖的可繞性所帶來的小型化、集約化優勢；

（2）玻璃光纖對入射泵浦光不需要像晶體那樣的嚴格的相位匹配，這是由於玻璃基質Stark 分裂引起的非均勻展寬造成吸收帶較寬的緣故；

（3）玻璃材料具有極低的體積面積比，散熱快、損耗低，所以轉換效率較高，激光閾值低；

（4）輸出激光波長多：這是因為稀土離子能級非常豐富及其稀土離子種類之多；

（5）可調諧性：由於稀土離子能級寬和玻璃光纖的熒光譜較寬。

（6）由於光纖激光器的諧振腔內無光學鏡片，具有免調節、免維護、高穩定性的優點，這是傳統激光器無法比擬的。

（7）光纖導出，使得激光器能輕易勝任各種多維任意空間加工應用，使機械系統的設計變得非常簡單。

（8）勝任惡劣的工作環境，對灰塵、震盪、衝擊、濕度、温度具有很高的容忍度。

（9）不需熱電製冷和水冷，只需簡單的風冷。

（10）高的電光效率：綜合電光效率高達20%以上，大幅度節約工作時的耗電，節約運行成本。

（11）高功率,商用化的光纖激光器是六千瓦。 ^[1] 

脈衝光纖激光器以其優良的光束質量，可靠性，最長的免維護時間，最高的整體電光轉換效率，脈衝重複頻率，最小的體積，無須水冷的最簡單、最靈活的使用方式，最低的運行費用使其成為在高速、高精度激光標刻方面的唯一選擇。

一套光纖激光打標系統可以由一個或兩個功率為25W的光纖激光器，一個或兩個用來導光到工件上的掃描頭以及一台控制掃描頭的工業電腦組成。這種設計比用一個50W激光器分束到兩個掃描頭上的方式高出達4倍以上的效率。該系統最大打標範圍是175mm*295mm，光斑大小是35um，在全標刻範圍內絕對定位精度是+/-100um。100um工作距離時的聚焦光斑可小到15um。

光纖激光器的材料處理是基於材料吸收激光能量的部位被加熱的熱處理過程。1um左右波長的激光光能很容易被金屬、塑料及陶瓷材料吸收。

光纖激光成型或折曲是一種用於改變金屬板或硬陶瓷曲率的技術。集中加熱和快速自冷切導致在激光加熱區域的可塑性變形，永久性改變目標工件的曲率。研究發現用激光處理的微彎曲遠比其他方式具有更高的精密度，同時，這在微電子製造是一個很理想的方法。

隨着光纖激光器的功率不斷攀升，光纖激光器在工業切割方面得以被規模化應用。比如：用快速斬波的連續光纖激光器微切割不鏽鋼動脈管。由於它的高光束質量，光纖激光器可以獲得非常小的聚焦直徑和由此帶來的小切縫寬度正在刷新醫療器件工業的標準。 ^[2] 

2023年6月，中國科學院上海光學精密機械研究所在特殊波長的飛秒超快光纖激光器研製方向取得重要進展。該團隊首次報道了一種基於色散管理、全保偏九字腔的978 nm飛秒摻鐿光纖激光器。 ^[4] 

2023年7月，加拿大拉瓦爾大學科學家開發出了第一台可在電磁光譜的可見光範圍內產生飛秒脈衝的光纖激光器，這種能產生超短、明亮可見波長脈衝的激光器可廣泛應用於生物醫學、材料加工等領域。 ^[5]