光纤激光器：从原理到应用

光纤激光器作为一种特殊形式的固体激光器，以其高输出功率和高光束质量而备受青睐。本文将深入探讨光纤激光器的工作原理、类型以及应用领域，为光电行业的专业人士提供详尽的参考。

目录

1. 光纤激光器基础
2. 光纤激光器共振腔
3. 高功率光纤激光器
4. 上转换光纤激光器
5. 窄线宽光纤激光器
6. Q开关光纤激光器
7. 锁模光纤激光器
8. 拉曼光纤激光器
9. 带半导体光放大器的光纤激光器
10. 光纤作为激光增益介质的特点
11. 光纤激光器建模

光纤激光器基础

光纤激光器通常被认为是具有活性光纤作为激光增益介质的激光器。这些增益介质通常是掺杂稀土离子的光纤，如铒（Er³⁺）、钕（Nd³⁺）、镱（Yb³⁺）、铥（Tm³⁺）或镨（Pr³⁺）。与固体块状激光器相比，光纤激光器的光导效应和小的有效模式面积通常导致激光器具有截然不同的性质，例如更高的激光增益和谐振器损耗。

光纤激光器共振腔

为了形成光纤激光器共振腔，需要某种反射器来形成线性共振腔，或者构建光纤环形激光器。线性光纤激光器共振腔使用各种类型的反射镜，例如：

• 光纤端面的菲涅尔反射通常足以作为光纤激光器的输出耦合器。
• 也可以直接在光纤端面上沉积介电涂层，以实现不同反射率。
• 商业产品中常用光纤布拉格光栅作为端面反射器。
• 另一种选择是形成光纤环形镜。

高功率光纤激光器

现在的高功率光纤激光器可以从单根光纤输出数百瓦甚至数千瓦的功率。这种潜力源自于高表面积与体积比和导光效应，即使在显著加热的条件下也能避免热光学问题。高功率光纤激光器目前广泛应用于激光材料加工，例如金属的激光焊接和切割。

上转换光纤激光器

光纤激光器概念非常适合实现上转换激光器，因为这些激光器通常需要在相对“困难”的激光跃迁上工作，需要高泵浦强度。而在光纤激光器中，这样的高泵浦强度可以轻松维持在较长长度上，从而使得即使在低增益跃迁上也能轻松运行。

窄线宽光纤激光器

光纤激光器可以被构建为单纵模运行，具有非常窄的线宽，有时甚至低于1千赫。为了实现长期稳定的单频运行，通常需要保持激光器共振腔相对较短，即使更长的共振腔原则上可以实现更低的相位噪声和相应更小的线宽。

Q开关光纤激光器

通过各种主动或被动Q开关方法，光纤激光器可以用于产生脉冲，脉冲持续时间通常在几十到几百纳秒之间。大模式区域光纤可以实现数毫焦耳的脉冲能量，在极端情况下甚至可达到数十毫焦耳。

锁模光纤激光器

特别是用于产生皮秒或飞秒脉冲的锁模光纤激光器（超快光纤激光器），其激光器共振腔可能包含一个主动调制器或某种可饱和吸收体。

拉曼光纤激光器

拉曼光纤激光器是一种特殊类型的光纤激光器，依赖于与光纤非线性相关的拉曼增益。这些激光器通常使用相对较长的光纤，并且典型的泵浦功率在1瓦左右。

带半导体光放大器的光纤激光器

有些激光器在由光纤制成的共振腔中具有半导体光放大器（SOA）作为增益介质。尽管实际的激光过程并不发生在光纤中，但这些激光器有时被称为光纤激光器。

光纤作为激光增益介质的特点

光纤可以被盘绕，且光纤中的光传播对环境（如灰尘）具有良好的隔离，因此光纤激光器可以具有紧凑和坚固的结构，前提是整个激光共振腔仅由光纤组件（如光纤布拉格光栅和光纤耦合器）构成。

光纤激光器建模

与固体激光器相比，光纤激光器的许多技术方面要复杂得多。例如，光纤激光器通常以更高的增益和更高的谐振器损耗运行。因此，光纤激光器（或光纤激光系统）的运行细节通常不能仅基于简单的分析计算来理解。需要使用某种光纤模拟软件进行数值模拟，以计算可能的激光性能，分析有害效应，并优化原型和产品设计。