光纤激光器和体激光器

2021-02-20 16:48:50 浏览:808

很多时候需要比较不同的激光器,尤其在交叉应用领域中。特别是两种不同的固态激光器:体激光器和光纤激光器。近些年来光纤激光器有了长足的发展,可能会取代大多数的体激光器,因为它在很低价钱的同时与体激光器性能相同或者更好。但是它所面临的各种问题也不能忽略,有些情况下这些问题会超过其优势。对比的结果与具体要求的细节密切相关。

下面从几个常用的角度概括的对比两种激光器。

基本激光器和光学特性

稀土掺杂光纤单位长度的增益和泵浦吸收是中等强度的,受限于玻璃中的掺杂浓度,需要使用相对较长的增益介质,得到不同的结果,如下所述。

光纤激光器的长度很长以及小的有效模式面积会产生很强的效应,例如非线性克尔效应,尽管熔融石英(光纤最常用的材料)的非线性系数相对较小。尤其是超短脉冲产生过程中,还有单频激光器和放大器中,附加的非线性效应非常不利。该效应通常会限制得到的脉冲长度或输出功率。

大多数光纤激光器具有很高的增益和谐振腔损耗。因此它们不会受到其它腔内成分的附加损耗的影响。例如,光纤激光器谐振腔中可能包含光栅对用于波长调谐,但是不会犹豫引入谐振腔损耗而降低效率。但是,体激光器中很小的谐振腔损耗式它们可以用于腔内倍频,得到很低的相位噪声。

许多光纤装置存在的问题是不能控制双折射。这不仅会使偏振态由线偏振变成椭偏振,还会改变随温度和弯曲的变化。因此当温度改变时,许多光纤激光器需要重新调整偏振控制器。在实验室应用中可以接受,但是商业产品器件中则不能允许这种情况。消除这一问题并不总是采用保偏光纤,因为有些特殊光纤和光纤装置不存在保偏的种类,并且非线性偏振旋转得到的模式锁定在保偏光纤中不能工作。

高功率装置需要考虑的问题

光纤和体激光器都能产生几千瓦的功率。光纤装置的功率转化效率很高,比体激光器大很多。但是,光纤装置需要泵浦光源具有很高的光束质量和亮度,与体激光器的泵浦二极管相比,单位瓦特泵浦光源的成本更高。

光纤的几何结构和其波导效应会消除主要的热效应(例如热透镜效应),因此即使在非常高功率时也能得到很好的光束质量。体激光器则更加困难,但是有些体激光器(尤其是薄片激光器)有很大的潜力得到更高的单模功率。

非线性效应会限制高功率光纤装置的性能,尤其是脉冲产生过程。脉冲光纤装置中的峰值功率限制来自于自聚焦效应。光纤中的拉曼效应也很强,是高功率连续波光纤激光器中的一个限制因素。单频工作时,受激布里渊散射会引入一些限制。所有这些限制在体激光器装置中都很小,因为其非线性效应小了几个量级。光纤和体激光器都可以Q开关产生纳秒脉冲。体激光器通常能得到最短的脉冲,因为其单位长度的增益比光纤装置更小。另外,光纤装置的峰值功率也受限制。 高功率纳秒光纤激光器系统通常需要种子激光器和光纤放大器,因此平均功率很高,但是峰值功率还是受限。理论上来说,可以放大很短的种子脉冲,但是需要使种子脉冲足够长来保持峰值功率足够低。

超短脉冲产生

光纤激光器采用稀土掺杂光纤,与稀土掺杂激光晶体相比,提供更高的放大带宽。光纤类型使采用的玻璃无需考虑其低热导性(由于其几何结构和波导效应)和他们很低的激光截面(光纤中可以得到很高的增益)。因此,光纤激光器有很宽的波长调谐性,并且通过无源模式锁定可以产生很短的光脉冲。但是,锁模光纤激光器不能完全将其增益带宽用于脉冲长度,因此附加的非线性和高阶模式色散效应的影响。

可以采用非线性偏振旋转使光纤激光器模式锁定,该技术非常有效,并且比体激光器中的附加脉冲模式锁定更简单。但是,这种激光器由于双折射的热变化通常不能长时间稳定。

具有高脉冲重复速率(千赫兹)的光纤激光器,通常需要谐波锁模,这会使激光器装置比体激光器复杂很多。

光学反馈灵敏度

用于材料加工的高功率光纤装置通常对光学反馈很敏感。一个原因是这种装置通常是主振荡功率放大器,因此背向反射光返回到种子激光器中时也会被放大。另外,有效模式面积相对比较小,因此容易损坏光纤端口。可以采用一个法拉第隔离器阻止背向反射光,但是通常不实际,尤其是在高功率时。

很多情况系下,不采用隔离器,这时需要避免工作区域的垂直入射保证避免背向反射。但是,这又会限制灵活性和处理质量。

坚固性和成本

简单的光纤激光器可以由相对便宜的器件组成,并且需要的机械器件很少。理想情况下光纤激光器应该只由光纤制作,不涉及到空气。这也是可能的,需要使用光纤器件间的熔接等,光纤激光器比体激光器便宜很多,也更小。输出光可以方便的通过光纤连接器与其它器件连接,无需对准过程。

但是,光纤激光器谐振腔中都会包含空气,例如,当特定体光学元件需要放置在激光器谐振腔中时,或者采用光纤模式面积不同并且没有用于适宜于各种模式面积的锥形光纤时。这种情况下,对单模光纤的对准程度要求很严格,有时由于光纤端口处的光强很高,光纤激光器比体激光器更不坚固,成本也可能不低。

光纤装置通常不需要维修。但是如果其中存在一个缺陷,就很难确定其位置再替换。但是,如果采用光纤连接器可以很方便的更换光纤器件。

发展光纤激光器系统的成本通常很高,需要的时间更长。部分原因是很难获得部分器件,有时由于光纤激光器(尤其是超短激光器)的工作原理比体激光器复杂很多。另外,在体光学装置中各个器件很容易结合一起,或者从系统插入、移除。

参数不确定性

激光器系统发展过程中,一个困难是不能知道增益介质相关参数的准确值。

对体激光器中的激光晶体来说,它包含有限的参数,例如掺杂浓度,光谱数据和几何参数。而普通的晶体材料这些参数的不确定性很小,有些不常见材料的光谱数据通常不确定。

而稀土掺杂光纤中,情况就没有这么理想。首要原因是光纤中玻璃材料的成分不是确定的。例如,即使光纤制造者也无法确定锗硅酸盐光纤纤芯中的锗含量,因此用户更加不知道具体成分。另外,光纤具有额外的参数,例如,纤芯直径、折射率分布曲线,它们在不同样品中都是不确定的。

一些参考

下面是一些参考在哪些领域光纤激光器或者体激光器更适用:

  • 光纤激光器适用于产生高平均功率高光束质量的光。尤其是在不常用波长区域也适用,即在不能采用晶体或者体玻璃实现的波长区域。光纤激光器在一些难实现激光的机制中占优势,例如低增益跃迁或上转换。但是,体激光器在有些光谱区域需要,例如,在700-1000 nm区域没有一种光纤激光器可以取代很宽的可调谐钛蓝宝石激光器。
  • 采用Q开关或者模式锁定,体激光器能得到更高的脉冲能量和峰值功率。
  • 体激光器可以使用光束质量很差的泵浦光源。极端情况下,边泵浦棒状激光器可以由气体放电灯泵浦。当需要很高峰值功率,中等重复速率的脉冲时,采用体激光器非常有利。
  • 当需要的非常稳定的线偏振时也采用体激光器(由于某些原因不能采用保偏光纤)。
  • 产生超短脉冲时,体激光器可以得到很高的峰值功率和高脉冲质量(平滑的光谱形状,低啁啾和低背景光)。
  • 在制造成本方面,当不需要很高峰值功率、偏振、辐射带宽、脉冲质量等装置中,光纤激光器更好。但是,对以上参数要求更加严格的情况倾向于体激光器,因为光纤装置需要复杂的附加装置或者特殊器件。并且,光纤装置的高发展成本在销量较低的情况下也是一个问题。

以上讨论的几点可以看出体激光器和光纤激光器各有其优缺点,因此根据实际需要选取适合的激光器类型。

参阅:光纤激光器、体激光器、固态激光器、高功率激光器、高功率光纤激光器和放大器、锁模光纤激光器

激光器

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