激光器简史及光纤激光器简介.ppt

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1、激光器简史及光纤激光器简介概要激光器历史概述激光器简史光纤激光器简史光纤激光器简介市场和应用光纤激光器技术简介激光安全什么是激光?镭射？LASER 由受激辐射的光放大而产生的光（Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation）。激光发展简史 50 年激光发展简史 激光与诺贝尔奖 1900年，普朗克提出了能量量子化概念，因此获得了1918年诺贝尔物理学奖：in recognition of the services he rendered to the advancement of Physics by his discovery

2、of energy quanta.1905年，爱因斯坦提出了光子假说并成功解释了光电效应，并因此获得了1921年诺贝尔物理学奖：for his services to Theoretical Physics,and especially for his discovery of the law of the photoelectric effect.Albert EinsteinMax Planck激光发展简史 激光与诺贝尔奖 1913年，波尔借鉴了普朗克的量子理论提出了全新的原子结构模型，因此获得1922年诺贝尔物理学奖：for his services in the investigati

3、on of the structure of atoms and of the radiation emanating from them.1917年，爱因斯坦在波尔的原子结构基础上，提出了波尔借鉴了普朗克的量子理论提出了受激辐射理论，为激光的出现奠定了理论的基础该理论预言：光子和原子相互作用包含三种过程:自发辐射、受激吸收和受激辐射；提出在物质与辐射场的相互作用中，构成物质的原子或分子可以在光子的激励下产生光子的受激发射或吸收，预示了有可能利用受激发射实现光放大（Light Amplification by Stimulated Emission of RadiationLASER）E1E2

4、hv=E2-E1 E1E2hv=E2-E1 E1E2hv=E2-E1 hvhvNiels Bohr激光发展简史 激光与诺贝尔奖 1947年，兰姆（Lamb）在氢原子光谱中发现了明显的受激辐射，这是受激辐射第一次被实验验证，因此兰姆获得了1955年诺贝尔物理学奖：for his discoveries concerning the fine structure of the hydrogen spectrum.1950年，法国物理学家Kastler提出了光学泵浦的方法，两年后该方法被实现。他因为提出了这种利用光学手段研究微波谐振的方法而获得1966年年诺贝尔物理学奖：for the discov

5、ery and development of optical methods for studying Hertzian resonances in atoms.Alfred KastlerWillis Eugene Lamb 激光发展简史 激光与诺贝尔奖 1951年，Townes提出受激辐射微波放大，即MASTER的概念。1954年，第一台氨分子Master建成，首次实现了粒子数反转，其主要作用是放大无线电信号，以便研究宇宙背景辐射。TOWNES由于在受激辐射放大方面的成就而获得1964年诺贝尔物理学奖：for fundamental work in the field of quantum

6、 electronics,which has led to the construction of oscillators and amplifiers based on the maser-laser principle.Charles Hard Townes 1952年，韦伯（F.Weber）在受激辐射讨论会上得到启示，产生了利用受激辐射诱发原子或分子，从而放大电磁波的想法。他提出了微波激射器的原理。激光发展简史 史上最牛激光器 1958年，Schawlow和Townes在Physics review letter上面发表论文“Infrared and Optical Master”,标志

7、着激光作为一全新事物登上了历史舞台。1960年，休斯实验室的梅曼（Maiman）和兰姆（Lamb）共同研制的红宝石激光器发出了694.3nm的红色激光，标志着世上第一台激光器的诞生。激光器发展简史 60s1960年，BELL实验室制成了第一台氦氖激光器；1961年，第一台光纤激光器；第一台光纤激光器；1962年，第一台GaAs半导体激光器；1963年，液体激光器；1964年，CO2气体激光器；1964年，离子激光器；1964年，Nd:YAG固体激光器；1965年，HCL化学激光器；1966年，生物染料激光器。中国第一台激光器（1961）激光器的第一台 研制成功时间 研 制 人 He-Ne激光器

8、 1963年7月 邓锡铭等 掺钕玻璃激光器 1963年6月 干福熹 GaAs同质结半导体激光器 1963年12月 王守武 CO2分子激光器 1965年9月 王润文等国内激光技术发展简史激光技术发展简史之二各种激光器的开发工作物质：固体，气体，染料，化学，离子，原子，半导体，X射线输出功率：大功率，低功率工作方式：短脉冲，脉冲，超短脉冲，连续输出稳定性：稳频率，稳功率，稳方向激光模式：多波长，单一模式激光技术发展简史之三激光器在各个方面的应用信息技术：激光通讯检测技术：激光测距激光加工：激光打孔、激光切割、激光焊接医学应用：矫正近视、激光整容科学研究：激光核聚变激光技术发展简史之三1969年：激

9、光用于遥感勘测，激光被射向阿波罗11号放在月球表面的反射器，测得的地月距离误差在几米范围内。1971年:激光进入艺术世界，用于舞台光影效果，以及激光全息摄像。英国籍匈牙利裔物理学家Dennis Gabor凭借对全息摄像的研究获得诺贝尔奖。1974年:第一个超市条形码扫描器出现。1975年:IBM投放第一台商用机光打印机。1978年:飞利浦制造出第一台激光盘(LD)播放机，不过价格很高。1982年:第一台紧凑碟片(CD)播放机出现，第一部CD盘是美国歌手Billy Joel在1978年的专辑52nd Street。1983年:里根总统发表了“星球大战”的演讲，描绘了基于太空的激光武器。1988年

10、:北美和欧洲间架设了第一根光纤，用光脉冲来传输数据。1990年：激光用于制造业，包括集成电路和汽车制造。1991年:第一次用激光治疗近视，海湾战争中第一次用激光制导导弹。1996年:东芝推出数字多用途光盘(DVD)播放器。2008年:法国神经外科学家使用广导纤维激光和微创手术技术治疗了脑瘤。2010年:美国国家核安全管理局(NNSA)表示，通过使用192束激光来束缚核聚变的反应原料、氢的同位素氘(质量数2)和氚(质量数3)，解决了核聚变的一个关键困难。激光技术发展简史之三发明了近百种不同类型的激光器件，其发明者都有完全不同的专业背景 各种学科和技术应用激光并形成了许多重要的交叉学科：如光电子学

11、、激光光谱学、激光化学、非线性光学、激光全息术、激光生物医学、激光计量、超快光电子学、激光加工处理.形成了一系列重要技术应用领域，光电子产业方兴未艾激光器应用Stent manufactureMarkingMicro-weldingCuttingWeldingPrint/gravureMicro-bendingSpot welding激光器应用激光器应用案例 打印机激光器应用案例 打印机激光器应用案例 视力矫正E1E2hv=E2-E1 E1E2hv=E2-E1 E1E2hv=E2-E1 hvhv激光器工作基本原理激光的特性及分类激光的特性激光的特性 一般通称激光的四大特性为：方向性好 亮度高

12、相干性好 单色性好激光器的分类激光器的分类:按照工作方式分类连续光激光器;脉冲激光器(调Q，锁模，脉冲调制脉冲调制)按照波长范围分类紫外光；紫光；蓝光；绿光；红光；红外；中红外，远红外.193nm,244nm,248nm,355nm,488nm,632nm,1064nm,1310nm,1550nm,2um,10.3um按照工作物质分类气体激光器；固体激光器；液体激光器；半导体激光器；光纤激光器CO2激光器；Nd:YAG激光器；红宝石；HeNe激光器；光纤激光器；氩离子激光器按照泵浦工作方式电泵浦；光泵浦；灯泵半导体泵浦（侧泵&端泵）几类特殊激光器准分子激光器；光纤激光器发展史1960-E.Sn

13、itzer首次通过试验研究了掺稀土元素光纤激光器Snitzer,E.Proposed fiber cavities for optical lasers.J.Appl.Phys.32:3639,1961.1962-首次报道的掺镱光纤激光器H.W.Etzel,et al.,“Stimulated emission of infrared radiation from ytterbium-activated silicate glass,”Appl.Opt.,vol.1,1962.1974-Stone,J 报道了第一台半导体激光器泵浦光纤激光器Stone,J.,et al.,Neodymium f

14、iber lasers:room-temperature cw operation with an injection laser pump.Appl.Opt.13:1256(1974).1985-英国南安普顿大学ORC采用改进的化学气相沉积（MCVD）的方法成功地研制出单模掺稀土光纤1988-E.Snitzer提出双包层光纤概念E.Snitzer,et al.,“Double-clad,offset core Nd fiber laser,”Proc.Conf.Optical Fiber Sensors,Postdeadline paper PD5,1988.2003-英国南安普顿大学ORC

15、研制出第一个超过一千瓦单模输出的高功率光纤激光器2007-IPG研发出超过3千瓦单模输出的光纤激光器2010-JPT研发出基于MOPA结构的10W脉冲光纤激光器 光纤激光器 输出功率剧增1.4 kW single-mode(ORC)0.4 kW SF,SM,SP Yb MOPA30W,Nd10W,Yb,SF110,Yb,SM(SDL)150W,Nd/Yb135W,Yb,SM272W,Yb(ORC)352W,Yb,SM(ORC)485W,Nd/Yb,SM1 kW,Nd,MM2 kW,Yb,MM10 kW,Yb,MM20W,Yb,SF120W,Yb,SF87 W,Er/Yb,SFMOPA(ORC)

16、1.2mJ,380fs,Yb7.7mJ,10W,Yb(ORC)2.8mJ,50/100W,Yb8.4mJ,120W,Yb(ORC)1.2 kW single-mode(ORC)366 W JAC Yb(ORC)280 W,JAC Yb PCF1 kW,Yb,MM(ORC)0.8 kW,Yb,SM(Dual-end output)610W,Yb SM(ORC)1.3 kW,M2 3(Jena)MMSF/PulsedSM to 10 kW?1.5 kW(Jena)2 kW single-mode(IPG)0.6 kW,SM,polarized(ORC)160 W Er/Yb80 W Tm.2 mm

17、150 W SF,SM,Er:Yb MOPA0.32 kW,20 ps,0.32 kW,20 ps,Yb MOPAYb MOPA264 W SF,SM,SP Yb MOPA17 kW,Yb,MMThe 3The 3rdrd generation generation全球商用激光器销售额以及比例分配2008年全球非半导体激光器销售量IPG Photonics光纤激光器IPG销售按应用细分IPG销售按市场区域细分激光器 基本构成关键构成要素：增益介质 泵浦能量注入 激光腔光纤激光器和普通激光器的比较项目项目光纤激光器光纤激光器普通激光器普通激光器注释注释热性能优良差光纤激光器可消除热透镜效应光束质

18、量优良一般纤细的光纤芯径决定了其优良的光斑特性健壮性 可靠性好差全光纤结构保证了其健壮性和可靠性价格潜力较高一般光纤激光器结构简单、用料少非线性差好非线性是光纤激光器中最大的一个限制因素反射镜反射镜反射镜反射镜激光增益介质激光增益介质激光束激光束输出输出光纤光栅光纤光栅激光束激光束输出输出PumpLD有源光纤有源光纤各类激光器中的光束质量对比掺稀土光纤激光器激射波长比较波长范围(nm)掺杂粒子能级跃迁跃迁类型*550Er3+4S3/2 4I15/23L850Er3+4S3/2 4I13/24L9801000Er3+4I11/2 4I15/23L15001600Er3+4I13/2 4I15/2

19、3L1660Er3+2H11/2 4I9/24L1720Er3+4S3/2 4I9/24L900950Nd3+4F3/2 4I9/23L10201150Nd3+4F3/2 4I11/24L13201400Nd3+4F3/2 4I13/24L9701150Yb3+5F5/2 5F7/23L*:3L:三能级;4L:四能级Yb有源光纤能级结构和吸收激射特性Ytterbium Electronic structure:4f145d06s22 F 5/2g 11630f 11000e 10260cm-1d 1490c 1060b 600a 02 F 7/2Cross Section data from

20、Nufern(http:/)ABDC光纤激光器和光纤放大器有源光纤泵浦源耦合器高反 FBG低反 FBG隔离器输出尾纤有源光纤泵浦源耦合器隔离器输出尾纤半导体激光器做种子源环形腔光纤激光器1480nm Pump diodeEDFApodized FBGCirculator90%10%1480/1550 nm WDM321OutputExperimental SetupOptical spectra with different scanning span5 minutes interval2 hours stabilityStability over 2 hours有源双包层光纤技术折射率涂覆层

21、外包层内包层有源纤芯泵浦光输入双包层有源光纤激光输出偏心内包层D型内包层矩形内包层八边形内包层Cladding radius:400um双包层光纤激光器-模式转换小NA大模场面积光纤设计小NA大模场面积光纤设计增加光纤中能量存储能力;降低非线性效应;提高输出功率利用低数值孔径(NA)结构减少光纤中模式数目;有源掺杂区集中在纤芯中间,对低阶高斯模具有较大增益 限制高阶模式获得增益;折射率外环设计降低弯曲损耗。H.L.Offerhaus,N.G.Broderick,and D.J.Richardson,“High energy single-transverse-mode Q-switched f

22、iber laser based on a multimode large-mode-area erbium-doped fiber,”Optics Letters,Vol.23,No.21,1998.一种窄线宽单频光纤激光器1480nm Pump diodeEDFApodized FBGCirculatorHigh finesse FBG FP90%10%1480/1550 nm WDM321OutputExperimental SetupOptical Spectra of the FBGs used in the fiber ring laserOptical spectra with

23、different scanning spanDelayed self-heterodyne RF beat spectrumLinewidth:2.5 kHz5 minutes interval2 hours stabilityStability over 2 hours基于调Q激光器种子源的MOPAWDMPump LDYDFHR FBGLR FBGAOMLMA YDF10 W 976 nm PumpFiber BundlerPump Stripper&Output IsolatorPump LDYDFFBGCirculator90%WDMOutput CouplerAOMLMA YDF10

24、 W 976 nm PumpFiber BundlerPump Stripper&Output Isolator脉冲高功率光纤激光器 种子源&多级放大结构关键技术种子源脉冲调制高功率放大中的非线性抑制和ASE自激抑制电控系统的健壮性和智能保护热处理和系统可靠性关键光学器件半导体激光器有源光纤隔离器合束器光纤光栅脉冲高功率光纤激光器 种子源&多级放大结构激光安全激光安全标签人眼结构400-1400 nm1400 nm1400 nm视网膜灼伤人眼伤害脉冲激光器对人眼产生的伤害激光对人眼的伤害的途径激光对皮肤造成的伤害安全防护措施定期安全培训提高安全防护意识，养成安全防护习惯佩戴安全防护眼镜超过200 mW的光路必须采用隔离措施