激光器简史及光纤激光器简介.ppt

,Click to edit Master title style,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 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 Einstein,Max 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 investigation 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,）,E,1,E,2,hv,=E,2,-E,1,E,1,E,2,hv,=E,2,-E,1,E,1,E,2,hv,=E,2,-E,1,hv,hv,Niels 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 discovery and development of optical methods for studying,Hertzian,resonances in atoms.,Alfred Kastler,Willis 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 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,60s,1960,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；,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,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,CO,2,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,:,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、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 manufacture,Marking,Micro-welding,Cutting,Welding,Print/gravure,Micro-bending,Spot 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,E,1,E,2,hv,=E,2,-E,1,E,1,E,2,hv,=E,2,-E,1,E,1,E,2,hv,=E,2,-E,1,hv,hv,激光器工作基本原理,激光的特性及分类,激光的特性,一般通称激光的四大特性为：,方向性好,亮度高,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,),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.,Snitzer,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 fiber 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,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 MOPA,30,W,Nd,10,W,Yb,SF,110,Yb,SM(SDL),150,W,Nd/Yb,135,W,Yb,SM,272,W,Yb(ORC),352,W,Yb,SM(ORC),485W,Nd/Yb,SM,1 kW,Nd,MM,2 kW,Yb,MM,10 kW,Yb,MM,20,W,Yb,SF,120,W,Yb,SF,87 W,Er/Yb,SF,MOPA(ORC),1.2mJ,380fs,Yb,7.7mJ,10W,Yb(ORC),2.8mJ,50/100W,Yb,8.4mJ,120W,Yb(ORC),1.2 kW single-mode(ORC),366 W JAC Yb(ORC),280 W,JAC Yb PCF,1 kW,Yb,MM(ORC),0.8 kW,Yb,SM,(Dual-end output),610W,Yb SM(ORC),1.3 kW,M,2,3(Jena),MM,SF/,Pulsed,SM to 10 kW?,1.5 kW(Jena),2 kW single-mode(IPG),0.6 kW,SM,polarized(ORC),160 W Er/Yb,80 W Tm.2,m,m,150 W SF,SM,Er:Yb MOPA,0.32 kW,20 ps,Yb MOPA,264 W SF,SM,SP Yb MOPA,17 kW,Yb,MM,The 3,rd,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,光纤激光器,普通激光器,注释,热性能,优良,差,光纤激光器可消除热透镜效应,光束质量,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,激光增益介质,激光束输出,光纤光栅,激光束输出,Pump,LD,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*,550,Er,3+,4,S,3/2,4,I,15/2,3L,850,Er,3+,4,S,3/2,4,I,13/2,4L,9801000,Er,3+,4,I,11/2,4,I,15/2,3L,15001600,Er,3+,4,I,13/2,4,I,15/2,3L,1660,Er,3+,2,H,11/2,4,I,9/2,4L,1720,Er,3+,4,S,3/2,4,I,9/2,4L,900950,Nd,3+,4,F,3/2,4,I,9/2,3L,10201150,Nd,3+,4,F,3/2,4,I,11/2,4L,13201400,Nd,3+,4,F,3/2,4,I,13/2,4L,9701150,Yb,3+,5,F,5/2,5,F,7/2,3L,*: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:4f,14,5d,0,6s,2,2,F,5/2,g 11630,f 11000,e 10260,cm,-1,d 1490,c 1060,b 600,a 0,2,F,7/2,Cross Section data from Nufern(,),A,B,D,C,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 diode,EDF,Apodized FBG,Circulator,90%,10%,1480/1550 nm WDM,3,2,1,Output,Experimental Setup,Optical spectra with different scanning span,5 minutes interval,2 hours stability,Stability over 2 hours,有源双包层光纤技术,折射率,涂覆层,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 fiber 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 diode,EDF,Apodized FBG,Circulator,High finesse FBG FP,90%,10%,1480/1550 nm WDM,3,2,1,Output,Experimental Setup,Optical Spectra of the FBGs used in the fiber ring laser,Optical spectra with different scanning span,Delayed self-heterodyne RF beat spectrum,Linewidth:,2.5 kHz,5 minutes interval,2 hours stability,Stability over 2 hours,基于调,Q,激光器种子源的,MOPA,WDM,Pump LD,YDF,HR FBG,LR FBG,AOM,LMA YDF,10 W 976 nm Pump,Fiber Bundler,Pump Stripper&Output Isolator,Pump LD,YDF,FBG,Circulator,90%,WDM,Output Coupler,AOM,LMA YDF,10 W 976 nm Pump,Fiber Bundler,Pump 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 nm,1400 nm,1400 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,