调Q光纤激光器结构示意图和MOPA光纤激光器结构示意图.docx

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调Q光纤激光器结构示意图和MOPA光纤激光器结构示意图

调Q光纤激光器和普通的训Q激光器一样，都是在激光谐振腔内插入Q开关器件，通过周期性改变腔损耗，实现调Q激光脉冲输出。

Q开关是被广泛采用的产生短脉冲的激光技术之一。

调Q光纤激光器在许多领域都有着广泛应用，大功率是调Q光纤激光器的一个发展方向。

全光纤化也是调Q光纤激光器发展的一个重要趋势，人们陆续研发岀一些全光纤的Q开光来代替传统的声光与电光调制器，大大地降低了激光器的插入损失。

在研究开发全光纤器件的同时，人们发现可以利用光纤中的歧卄•线性效应任光纤激光器中实现自调Q・这种自调Q允纤激光器是全光纤型，结构简单无需任何主动调Q發置，因此己成为当前的-•个研究热点。

国内南幵人学报遵了注摟Yb"双包层光纤器中得到了脉宽4.8ns的自调Q脉冲输出I叫利用光纤中的瑚利敢射和受激布-里渊敢射的共同作叩，在基于光纤T涉环的掺Yb”全光纤自词Q激光器中获得了脉宽3&s・臣复频率IkHz,蜂值功率56.7kW的脉冲输出I吗.

用于光纤激光器的调Q技术大致叮以分为光纤型调;和非光纤型调Q两类。

非光纤型调Q有光调Q、电光调Q、机械转镜调Q和可饱和吸收体调Q等。

非光纤型iMJQ：

1.声光调Q激光器：

图L3是一个典型的声光调Q光纤激光器。

声光Q开关置于激光器谐振腔中，当声波在介质中传播时.该介质会产生与声波信号相应的、RI时间和空网周期变化的弹性形变，从而导致介质折射卑周期性变化，形成“相位光栅”，激光在超声场作用F发生衍射，由于一级衍对光備离谐抿腔而导致搦耗增加，从而使激光扳荡难以形成，激光高能级人蚩积累粒子•若这时灾然撤除超声场，则衍射效应即可消失，谐振脱损耗突然下降，激光巨脉冲遂即形成。

图1.3Afl的声光调Q光纤激光春结构

声光Q开关由一块对激光波长透明的声光介质及换能器组成。

常用的声光介质有垢融石英、钥酸铅及重火石玻璃等.声光介质表而粘接有由親酸锂'石英等压电材料薄片制成的换能器，换能器的作用是将高頻电信号转换为超声波。

声光Q开关的开关时间＜10^100ns）一般小于光脉冲建立时间，備快开关类型.由于开关的调制电斥只篙100多伏，所以可用于低増益的连续激光器。

但是声光Q幵关在155伽m波段衍射效率较低，约634^0%•从而在155血皿光纤激光器中使用时具有消光比较低或插入损耗大的缺点。

但是，对于1,06脚1包层泵浦Yb”光纤激址弱，声光Q开关除了括入捉耗较木诙外，仍是常用的优施调Q器件。

2.电光调Q激光器：

电光谪Q光纤激光器的基本结构如图1.4所示。

电光晶体在外加电场作用下,其折射率发生变化，使通过晶体不同偏振方向的光之间产生相位差，从而使光的偏振状态发生变化的現掠称为电光效应.其中折射宰的变化和电场成正比的电光效应称为普克尔效应，折射率的变化和电场强度平方成正比的电光效应称为克尔效应。

电光Q开关就是刑用晶体的普克尔效应来实现激光器Q值究变的。

现以最常用的电光晶体之一的磷酸二笊钾（KDP）晶体为例说明Q开关工作原理。

电光晶体上曲以电压时，从偏振器岀射的戋儼振光经电光晶体后，沿两个垂直方向的偏振分址产生了H/2位相延迟，经全反镜反射后再次通过电光晶体后又将产生工n.延迟，合成后虽仍是线備振光，但備振方向垂倉亍偏娠器的透光方向,因此不陡適过偏振器°这种情况F谐振腔的慢耗很大，处T低Q值状态，激光器

不能振荡，激光上能级不断积累粒千。

如果在某一时刻.究然撇去电.比晶休两端的电压，则谐报腔突变至低揭耗、高Q值状态，干是激光耦形成巨脉冲激址输出。

电光Q开关是目前脱脉肿固体激光器中使用嚴广泛的Q开关Z-.K主要特点是开关时间短C约询“杪），属快开关型；而R.,其消光比高〈＞95%）。

电光调Q激光器可以获得脉宽窄、堆值功率高的巨脉冲＜如；Nd"：

YAG电光调Q激光器的输出光脉冲宽度为I卜2血，衅值功率可达数十兆瓦.在短脉冲）t纤激光器中用电光调Q・可得到纳秒哥级的脉冲■但是庄短脉冲光纤激光器中,电光调Q需要几千伏的高电压，将对附近的设龄产生严莹的电6TF扰.

图1.4光电调Q飯光器示总图

输出遼

3.可饱和吸收体调Q激光器：

图1,5所示为可饱和吸收体调Q光纤激光器结构示倉图图中所用为带有反射镜的半导体可饱和吸收体（SESAM）.饱和吸收体的吸收系数險光强的增加而减少・当达到饱和光强时，吸收系数为0,入射光几乎全部透过*把可饱和吸收体置于激光谐提腔中「泵淹初期，丁作物廣发出较弱的荧光・可饱和吸收体吸收很强，谐掘腔处于低Q状态，腔内不能形戚振荡。

随着采浦增强，舵内工作物质荧光变强，可饱和吸收体的透过率增大.当可饱和吸收体吸收达到饱和值时，吸收系数为0,入射光几乎全部透过。

这时腔内Q值猛增，产生极强的振荡.形成激光巨脉冲输岀.

光纤型调Q装置光纤型调Q装宜有光纤迈克尔逊I：

涉仪调Q、

光纤马赫

一曽特尔丁涉仪调Q和光纤中的受激布里渊散射（SBS）调Q光纤激光辭等。

卜•而介绍混合调Q和脉冲泵浦受激布里渊散射混合调Q光纤激光器。

混合调Q光纤激光器

如图所示

•OOnOAOm

NbOCftaA0M

得到了峰值功率3.7KW,脉宽2m的脉冲激光输出o

实验中选用掺钱双包层光纤作增益介质.光纤长7.2m,纤芯直径5.Is,数值孔径0.12.内包层为矩形结构，截而尺寸150um*75umc

泵源为800nm.3w激光二极管，有60%的泵光祸合到内包层中。

系统由一个全反镜和一个二向色镜构成驻波谐振腔。

在双包层光

纤的输出端接几米长的单模光纤,实现训Q，得到纳秒量级的激光脉冲。

在腔内插人一声光调制器（AQM）,使激光脉冲重复频率在6.6KHz-16.4KHZ范围内可调。

脉冲泵浦和受激布里渊散射混合调Q:

在线形腔双包层光纤激光器中，用脉冲泵浦相SBS混合调Q°

如图所示

97$/10Mna

Output

S4沐冲泵浦和SBS混合调Q实验装JL示意图

泵浦源为多模半Y体激光器（LD）,帯有800um的输出尾纤，数值孔径0.2,输出中心波长975.8nm有连续和脉冲两种运转方式。

多模半导体激光器通过介适的光学藕合系统泵浦掺Yb的双包层光纤。

增益光纤纤芯直径为7um,作为泵浦光通道的内包层为一矩形结构（125*125um）,外而涂一层硅橡胶作为外包层。

对于激光纤芯的数值孔径为0.11,,对于泵光内包层的数值孔径为0.5。

由于双包层光纤特殊的结构，不仅使得冬模半导体激光器町以作为泵浦源，而且大大提髙了泵浦效率。

二相色镜（976nm透过率89.9%,106lnm反射率99.5%）作为激光器的一个腔镜置于泵浦端。

双包层光纤的另一端接一段（几米）单模通信光纤"利用单模光纤中的背向受激Br订louin散対提供腔反馈，同时实现调Q,实验得到重复频率可调（lKHz-10KHz）、

蜂值功率大于10kw和脉宽小于2ns的激光脉冲。

发展：

随君调Q技术的不断进步和各种新型光纤器件和新型结构光纤的出现，调Q取包层光纤激光器的研究获得了巨大的发展.推动了激光雷达、激光测距和激光微加工等应用技术的发展.数目众多的短脉冲光纤激光器也用于商业打标.这些应用中需雯高峰值功率的短脉冲激光输出，然后沿表面扫描.在半导体芯片和包装上制作微小铭牌时，光纤激光器特别有效。

在微机械加工上，可用于工件的退火.焊接、切割不锈钢箔，在塑料和金属占打标等。

这里光纤澈光器的特姝优点是其光東质量和指向縉度都非常离卩叽

在现代的光纤通倍系统中髙唸值功率、窄脉冲宽度的调；光纤激光器起着举足轻重的作用,特别是调；光纤激光器的全光纤化更加速了现代光纤通信网的飞速发展。

另外附IMOPA光纤激光器结构示意图

调Q光纤激光器和普通的训Q激光器一样，都是在激光谐振腔内插入Q开关器件，通过周期性改变腔损耗，实现调Q激光脉冲输出。

Q开关是被广泛采用的产生短脉冲的激光技术之一。

调Q光纤激光器在许多领域都有着广泛应用，大功率是调Q光纤激光器的一个发展方向。

全光纤化也是调Q光纤激光器发展的一个重要趋势，人们陆续研发岀一些全光纤的Q开光来代替传统的声光与电光调制器，大大地降低了激光器的插入损失。

在研究开发全光纤器件的同时，人们发现可以利用光纤中的歧卄•线性效应任光纤激光器中实现自调Q・这种自调Q允纤激光器是全光纤型，结构简单无需任何主动调Q發置，因此己成为当前的-•个研究热点。

国内南幵人学报遵了注摟Yb"双包层光纤器中得到了脉宽4.8ns的自调Q脉冲输出I叫利用光纤中的瑚利敢射和受激布-里渊敢射的共同作叩，在基于光纤T涉环的掺Yb”全光纤自词Q激光器中获得了脉宽3&s・臣复频率IkHz,蜂值功率56.7kW的脉冲输出I吗.

用于光纤激光器的调Q技术大致叮以分为光纤型调;和非光纤型调Q两类。

非光纤型调Q有光调Q、电光调Q、机械转镜调Q和可饱和吸收体调Q等。

非光纤型iMJQ：

1.声光调Q激光器：

图L3是一个典型的声光调Q光纤激光器。

声光Q开关置于激光器谐振腔中，当声波在介质中传播时.该介质会产生与声波信号相应的、RI时间和空网周期变化的弹性形变，从而导致介质折射卑周期性变化，形成“相位光栅”，激光在超声场作用F发生衍射，由于一级衍对光備离谐抿腔而导致搦耗增加，从而使激光扳荡难以形成，激光高能级人蚩积累粒子•若这时灾然撤除超声场，则衍射效应即可消失，谐振脱损耗突然下降，激光巨脉冲遂即形成。

图1.3Afl的声光调Q光纤激光春结构

声光Q开关由一块对激光波长透明的声光介质及换能器组成。

常用的声光介质有垢融石英、钥酸铅及重火石玻璃等.声光介质表而粘接有由親酸锂'石英等压电材料薄片制成的换能器，换能器的作用是将高頻电信号转换为超声波。

声光Q开关的开关时间＜10^100ns）一般小于光脉冲建立时间，備快开关类型.由于开关的调制电斥只篙100多伏，所以可用于低増益的连续激光器。

但是声光Q幵关在155伽m波段衍射效率较低，约634^0%•从而在155血皿光纤激光器中使用时具有消光比较低或插入损耗大的缺点。

但是，对于1,06脚1包层泵浦Yb”光纤激址弱，声光Q开关除了括入捉耗较木诙外，仍是常用的优施调Q器件。

2.电光调Q激光器：

电光谪Q光纤激光器的基本结构如图1.4所示。

电光晶体在外加电场作用下,其折射率发生变化，使通过晶体不同偏振方向的光之间产生相位差，从而使光的偏振状态发生变化的現掠称为电光效应.其中折射宰的变化和电场成正比的电光效应称为普克尔效应，折射率的变化和电场强度平方成正比的电光效应称为克尔效应。

电光Q开关就是刑用晶体的普克尔效应来实现激光器Q值究变的。

现以最常用的电光晶体之一的磷酸二笊钾（KDP）晶体为例说明Q开关工作原理。

电光晶体上曲以电压时，从偏振器岀射的戋儼振光经电光晶体后，沿两个垂直方向的偏振分址产生了H/2位相延迟，经全反镜反射后再次通过电光晶体后又将产生工n.延迟，合成后虽仍是线備振光，但備振方向垂倉亍偏娠器的透光方向,因此不陡適过偏振器°这种情况F谐振腔的慢耗很大，处T低Q值状态，激光器

不能振荡，激光上能级不断积累粒千。

如果在某一时刻.究然撇去电.比晶休两端的电压，则谐报腔突变至低揭耗、高Q值状态，干是激光耦形成巨脉冲激址输出。

电光Q开关是目前脱脉肿固体激光器中使用嚴广泛的Q开关Z-.K主要特点是开关时间短C约询“杪），属快开关型；而R.,其消光比高〈＞95%）。

电光调Q激光器可以获得脉宽窄、堆值功率高的巨脉冲＜如；Nd"：

YAG电光调Q激光器的输出光脉冲宽度为I卜2血，衅值功率可达数十兆瓦.在短脉冲）t纤激光器中用电光调Q・可得到纳秒哥级的脉冲■但是庄短脉冲光纤激光器中,电光调Q需要几千伏的高电压，将对附近的设龄产生严莹的电6TF扰.

图1.4光电调Q飯光器示总图

输出遼

3.可饱和吸收体调Q激光器：

图1,5所示为可饱和吸收体调Q光纤激光器结构示倉图图中所用为带有反射镜的半导体可饱和吸收体（SESAM）.饱和吸收体的吸收系数險光强的增加而减少・当达到饱和光强时，吸收系数为0,入射光几乎全部透过*把可饱和吸收体置于激光谐提腔中「泵淹初期，丁作物廣发出较弱的荧光・可饱和吸收体吸收很强，谐掘腔处于低Q状态，腔内不能形戚振荡。

随着采浦增强，舵内工作物质荧光变强，可饱和吸收体的透过率增大.当可饱和吸收体吸收达到饱和值时，吸收系数为0,入射光几乎全部透过。

这时腔内Q值猛增，产生极强的振荡.形成激光巨脉冲输岀.

光纤型调Q装置光纤型调Q装宜有光纤迈克尔逊I：

涉仪调Q、

光纤马赫

一曽特尔丁涉仪调Q和光纤中的受激布里渊散射（SBS）调Q光纤激光辭等。

卜•而介绍混合调Q和脉冲泵浦受激布里渊散射混合调Q光纤激光器。

混合调Q光纤激光器

如图所示

•OOnOAOm

NbOCftaA0M

得到了峰值功率3.7KW,脉宽2m的脉冲激光输出o

实验中选用掺钱双包层光纤作增益介质.光纤长7.2m,纤芯直径5.Is,数值孔径0.12.内包层为矩形结构，截而尺寸150um*75umc

泵源为800nm.3w激光二极管，有60%的泵光祸合到内包层中。

系统由一个全反镜和一个二向色镜构成驻波谐振腔。

在双包层光

纤的输出端接几米长的单模光纤,实现训Q，得到纳秒量级的激光脉冲。

在腔内插人一声光调制器（AQM）,使激光脉冲重复频率在6.6KHz-16.4KHZ范围内可调。

脉冲泵浦和受激布里渊散射混合调Q:

在线形腔双包层光纤激光器中，用脉冲泵浦相SBS混合调Q°

如图所示

Output

S4沐冲泵浦和SBS混合调Q实验装JL示意图

泵ill］源为多模半导体激光器（LD）,帯有800um的输出尾纤，数值孔径0.2,输出中心波长975.8nm有连续和脉冲两种运转方式。

多模半导体激光器通过介适的光学藕合系统泵浦掺Yb的双包层光纤。

增益光纤纤芯直径为7um,作为泵浦光通道的内包层为一矩形结构（125*125um）,外而涂一层硅橡胶作为外包层。

对于激光纤芯的数值孔径为0.11,,对于泵光内包层的数值孔径为0.5。

由于双包层光纤特殊的结构，不仅使得冬模半导体激光器町以作为泵浦源，而且大大提髙了泵浦效率。

二相色镜（976nm透过率89.9%,106lnm反射率99.5%）作为激光器的一个腔镜置于泵浦端。

双包层光纤的另一端接一段（几米）单模通信光纤"利用单模光纤中的背向受激Br订louin散対提供腔反馈，同时实现调Q,实验得到重复频率可调（lKHz-10KHz）、

蜂值功率大于10kw和脉宽小于2ns的激光脉冲。

发展：

随君调Q技术的不断进步和各种新型光纤器件和新型结构光纤的出现，调Q取包层光纤激光器的研究获得了巨大的发展.推动了激光雷达、激光测距和激光微加工等应用技术的发展.数目众多的短脉冲光纤激光器也用于商业打标.这些应用中需雯高峰值功率的短脉冲激光输出，然后沿表面扫描.在半导体芯片和包装上制作微小铭牌时，光纤激光器特别有效。

在微机械加工上，可用于工件的退火.焊接、切割不锈钢箔，在塑料和金属占打标等。

这里光纤澈光器的特姝优点是其光東质量和指向縉度都非常离卩叽

在现代的光纤通信系统中髙稣值功率、窄脉冲宽度的调；光纤激光器起着举足轻重的作用,特别是调；光纤激光器的全光纤化更加速了现代光纤通倍网的飞速发展。

另外附hMOPA光纤激光器结构示意图

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