高功率光纤激光的发展现状与应用
Development Status and Application of High Power Fiber Laser
DOI: 10.12677/MP.2020.106012, PDF,  被引量    国家自然科学基金支持
作者: 孙国玉, 杨君婷, 包明冉, 袁毅, 李再金*, 赵志斌, 曾丽娜, 李林, 乔忠良, 陈浩, 曲轶:海南师范大学物理与电子工程学院,海南省激光技术与光电功能材料重点实验室,海南 海口
关键词: 高功率光纤激光增益光纤泵浦耦合High Power Fiber Laser Gain Fiber Pump Coupling
摘要: 首先阐述了光纤激光器的定义、结构及分类,通过与传统的激光进行对比,总结了光纤激光的优点和缺点,其次对国内和国外的高功率光纤激光的发展进程进行了介绍。另外,研究了高功率光纤激光的关键技术,尤其是光纤激光的增益介质和泵浦耦合技术,其中光纤激光的增益介质包括双包层掺杂光纤和光子晶体光纤。泵浦耦合技术包括端面泵浦耦合技术和侧面泵浦耦合技术。最后对高功率光纤激光在工业、医疗和军事等领域的应用进行了阐述,以及对目前的高功率光纤激光技术进行总结,提出高功率光纤激光的发展趋势。
Abstract: Firstly, the definition, structure and classification of fiber laser are described. Compared with tra-ditional laser, the advantages and disadvantages of fiber laser are summarized. Secondly, the de-velopment process of high-power fiber laser at home and abroad is introduced. In addition, the key technologies of high power fiber laser, especially the gain medium and pump coupling technology of fiber laser are studied. The gain medium of fiber laser includes double cladding doped fiber and photonic crystal fiber. Pump coupling technology includes end pump coupling technology and side pump coupling technology. Finally, the applications of high-power fiber laser in industry, medical and military fields are described, and the current high-power fiber laser technology is summarized, the development trend of high-power fiber laser is proposed.
文章引用:孙国玉, 杨君婷, 包明冉, 袁毅, 李再金, 赵志斌, 曾丽娜, 李林, 乔忠良, 陈浩, 曲轶. 高功率光纤激光的发展现状与应用[J]. 现代物理, 2020, 10(6): 103-112. https://doi.org/10.12677/MP.2020.106012

参考文献

[1] 陈苗海. 高功率光纤激光器的研究进展[J]. 激光与红外, 2007, 37(7): 589-592.
[2] 张军, 潘玉寨, 胡贵军, 张亮, 王立军. 高功率光纤激光器的应用与展望[J]. 半导体光电, 2003, 24(4): 222-226.
[3] 侯蓝田, 韩颖. 光纤激光器的发展与应用[J]. 燕山大学报, 2011, 35(2): 95-101+114.
[4] 张利明, 周寿桓, 赵鸿, 张昆, 郝金坪, 张大勇, 朱辰, 李尧, 王雄飞, 张浩彬. 780W全光纤窄线宽光纤激光器[J]. 物理学报, 2014, 63(13): 170-175.
[5] Maiman, T.H. (1960) Stimulated Optical Radiation in Ruby. Nature, 187, 493-494. [Google Scholar] [CrossRef
[6] Snitzer, E. (1961) In a Barium Crown Glass. Physical Review Letters, 7, 444-446. [Google Scholar] [CrossRef
[7] 姜涛. 大功率光纤激光器的理论与实验研究[D]: [硕士学位论文]. 长春: 吉林大学, 2010.
[8] Snitzer, E., Po, H., Hakimi, F., et al. (1988) Double-Clad, Offset Core Nd Fiber Laser. Optical Fiber Sensors, New Orleans, 27 January 1988, PD5. [Google Scholar] [CrossRef
[9] Po, H., Snitzer, E., Tummelini, R., et al. (1989) Double Clad High Brightness Nd Fiber Laser Pumped by GaAlAs Phased Array. Optical Fiber Communication Conference, Houston, 6 February 1989, PD7. [Google Scholar] [CrossRef
[10] Po, H., Cao, J.D., Laliberte, B.M., et al. (1993) High Power Neodymi-um-Doped Single Transverse Mode Fiber Laser. Electronics Letters, 29, 1500. [Google Scholar] [CrossRef
[11] Pask, H.M., Archambauh, J.L. and Hanna, D.C. (1994) Operation of Clad-ding-Pumped Yb3+ Doped Silica Fiber Lasers in 1m Region. Electronics Letters, 30, 863-865. [Google Scholar] [CrossRef
[12] Limpert, J., Liem, A., Hofer, S., et al. (2002) 150 W Nd/Yb Codoped Fiber Laser at 1.1/spl mu/m. Summaries of Papers Presented at the Lasers and Electro-Optics, Technical Diges, Long Beach, 24 May 2002, 590-591.
[13] Jeong, Y., Sahu, J.K., Payne, D.N., et al. (2004) Ytterbium-Doped Large-Core Fiber Laser with 1.36 kW Continuous-Wave Output Power. Optics Express, 12, 6088-6092. [Google Scholar] [CrossRef
[14] Gapontsev, V., Gapontsev, D., Platonov, N., et al. (2005) 2 kW CW Ytterbium Fiber Laser with Record Diffraction-Limited Brightness. Conference on Lasers and Electro-Optics Europe, Munich, 12-17 June 2005, 508.
[15] 王建明. 高功率单模光纤激光器关键技术及输出稳定性研究[D]: [博士学位论文]. 武汉: 华中科技大学, 2017.
[16] Yue, C., Peng, J. and Zhou, B. (1989) Tunable Nd3+ Doped Fiber Ring La-ser. Electronics Letters, 25, 101-102. [Google Scholar] [CrossRef
[17] Chen, C.Y., Choy, M.M., Andrejco, M.J., et al. (1990) A Widely Tunable Erbium-Doped Fiber Laser Pumped at 532 nm. IEEE Photonics Technology Letters, 2, 18-20. [Google Scholar] [CrossRef
[18] 楼祺洪, 周军, 朱健强, 薛冬, 孔令峰, 李进延, 李诗愈, 董景星, 魏运荣, 吴中林, 叶震寰, 凌磊, 王之江. 国产双包层掺镱光纤实现440 W的连续高功率激光输出[J]. 中国激光, 2005(1): 20.
[19] 李晨, 闫平, 陈刚, 巩马理. 采用国产掺镱双包层光纤的光纤激光器连续输出功率突破700W[J]. 中国激光, 2006(6): 738.
[20] 赵鸿, 周寿桓, 朱辰, 李尧, 吴健. 大功率光纤激光器输出功率超过1.2kW[J]. 中国激光, 2006, 33(10): 1359.
[21] He, B., Zhou, J., Lou, Q., et al. (2010) 1.75-Kilowatt Continuous-Wave Output Fiber Laser Using Homemade Ytterbium-Doped Large-Core Fiber. Microwave & Optical Technology Letters, 52, 1668-1671. [Google Scholar] [CrossRef
[22] 刘泽金, 周朴, 马鹏飞, 王小林, 粟荣涛, 马阎星, 陶汝茂, 张汉伟. 路高功率窄线宽、线偏振光纤放大器相干偏振合成实现5kW级高亮度激光输出[J]. 中国激光, 2017, 44(4): 272.
[23] 林宏奂, 唐选, 李成钰, 郭超, 刘玙, 赵鹏飞, 王波鹏, 王建军, 景峰. 全国产单纤激光系统获得10.6kW激光输出[J]. 中国激光, 2018, 45(3): 335.
[24] 林傲祥, 湛欢, 彭昆, 王小龙, 倪力, 王瑜英, 李雨薇, 刘爽, 孙仕豪, 姜佳丽, 唐选, 刘玙, 姜蕾, 俞娟, 王建军, 景峰. 国产复合功能光纤实现万瓦激光输出[J]. 强激光与粒子束, 2018, 30(6): 7.
[25] 杨保来, 王小林, 叶云, 等. 全光纤激光振荡器输出功率突破6 kW[J]. 中国激光, 2020, 47(1): 0116001-1.
[26] 任国光, 伊炜伟, 屈长虹. 高功率光纤激光器及其在战术激光武器中的应用[J]. 激光与红外, 2015, 45(10): 1145-1151.
[27] 李学文, 漆云凤, 何兵, 等. 国产25/400 μm掺镱双包层光纤实现2.2 kW窄线宽单模激光输出[J]. 光学学报, 2019, 39(6): 415-418.
[28] 冯高锋, 杨军勇, 王建明, 等. 高功率光纤激光器用20/400双包层掺镱光纤[J]. 激光与红外, 2019, 49(4): 438-441.
[29] 周军, 赵宏明, 王之江, 等. 采用国产大模场面积双包层光纤的714W连续光纤激光器[J]. 光学学报, 2006, 26(7): 1119-1120.
[30] 楼祺洪, 周军, 朱健强, 等. 单端抽运国产D形双包层光纤激光器实现输出功率200W[J]. 中国激光, 2004, 31(9): 1029-1029.
[31] 阮双琛, 冯鸣, 文华胡, 等. 8.6 W掺Yb3+双包层光纤激光器的研究[J]. 光子学报, 2003, 32(8): 911-913.
[32] 楼祺洪, 周军, 孔令峰, 等. 高功率脉冲双包层光纤激光器的新进展[J]. 量子电子学报, 2005, 22(4): 510-515.
[33] Yablonovitch, E. (1987) Inhibited Spontaneous Emission in Solid-State Physics and Electronics. Physical Review Letters, 58, 2059-2062. [Google Scholar] [CrossRef
[34] 池灏, 章献民, 沈林放. 基于光子晶体光纤的布里渊光纤激光器[J]. 浙江大学学报(工学版), 2006, 40(12): 2126-2129.
[35] 郭春雨, 欧阳德钦, 阮双琛, 等. 高功率纳秒光纤激光器抽运锥形光子晶体光纤产生超连续谱[J]. 中国激光, 2013(4): 123-128.
[36] 牛静霞, 周桂耀, 侯蓝田, 等. 光子晶体光纤在光纤激光器中的应用[J]. 光通信技术, 2009, 33(1): 44-47.
[37] 柴路, 胡明列, 方晓惠, 刘博文, 宋有建, 栗岩锋, 王清月. 光子晶体光纤飞秒激光技术研究进展[J]. 中国激光, 2013, 40(1): 7-20.
[38] 王伟, 侯蓝田. 光子晶体光纤的现状和发展[J]. 激光与光电子学进展, 2008, 45(2): 43-58.
[39] 姚建铨, 任广军, 张强, 王鹏. 掺镱双包层光纤激光器及其泵浦耦合技术[J]. 激光杂志, 2006, 27(5): 1-4.
[40] 邓元龙, 姚建铨, 阮双琛, 等. 光纤激光器透镜耦合系统的优化设计[J]. 激光杂志, 2005, 26(5): 42-43.
[41] 陈吉欣, 隋展, 陈福深, 等. 端面泵浦掺Yb3+双包层光纤激光器[J]. 应用光学, 2006, 27(4): 315-318.
[42] 黄枢. 光纤端面处理与熔接质量对光纤激光器输出功率的影响[J]. 石家庄铁路职业技术学院学报, 2007, 6(z1): 14-18.
[43] 韦文楼, 欧攀, 闫平, 巩马理, 肖力敏. 双包层光纤的侧面泵浦耦合技术[J]. 激光技术, 2004, 28(2): 116-120.
[44] 阮乂, 宁提纲, 裴丽, 胡旭东. 高功率双包层光纤激光器的泵浦技术[J]. 光纤与电缆及其应用技术, 2009(1): 22-24+40.
[45] 王大拯, 王勇刚, 刘素平, 等. 双包层光纤激光器微棱镜反射式侧面耦合的新技术[J]. 光学学报, 2009(4): 128-133.
[46] 黄值河, 曹涧秋, 郭少锋, 等. 分布式侧面耦合包层抽运光纤激光器数值模拟[J]. 激光与光电子学进展, 2014, 51(4): 63-67.