【文章內(nèi)容簡介】 式。在光纖內(nèi)只能傳輸一定數(shù)量的模。通常纖芯直徑較粗（幾十微米及以上）時，能傳播幾百個以上的模，而纖芯很細（幾個微米）時，只能傳播一個模。前者稱為多模光纖，后者為單模光纖。（1）階躍型光纖(SIF ：Step Index Fiber) 纖芯和包層折射率都是均勻分布，折射率在纖芯和包層的界面上發(fā)生突變。（2）漸變型光纖(GIF：Graded Index Fiber) 包層折射率均勻分布，纖芯折射率隨著纖芯半徑增加而減少，是非均勻連續(xù)變化的。 2. 按光纖的模式根據(jù)傳導模數(shù)的不同，光纖可以分為單模光纖和多模光纖兩類。所謂模是指以一定角速度進入光纖的一束光，模式數(shù)就是光路數(shù)。（1）單模光纖(SMF：Single Mode Fiber)隨著光纖的纖芯直徑的縮小，光纖中可以傳播的模式數(shù)減少，當纖芯直徑小于一定值時，只剩下基本模式可以傳播，即只能允許一束光傳播，這樣的光纖稱為單模光纖。在單模光纖中，光強度分布近似于高斯分布，光纖信號畸變很小，沒有模分散特性，因而，單模光纖的纖芯相應較細，傳輸頻帶寬、容量大，傳輸距離長，但因其需要激光源，成本較高。適用于長距離、大容量的光纖通信系統(tǒng)。（2）多模光纖(MMF：Multi Mode Fiber)光纖中傳輸?shù)哪Ｊ讲恢挂粋€，即在光纖中存在多個傳導模式。多模光纖允許多束光在光纖中同時傳播，從而形成模分散(因為每一個“模”光進入光纖的角度不同它們到達另一端點的時間也不同，這種特征稱為模分散)，模分散技術限制了多模光纖的帶寬和距離，因此，多模光纖的芯線粗，傳輸速度低、距離短，整體的傳輸性能差，但其成本比較低，一般用于建筑物內(nèi)或地理位置相鄰的環(huán)境下。(a) 階躍型多模光纖 (b) 漸變型多模光纖 (c) 單模光纖到20世紀80年代為止，光纖激光器都是將泵浦光直接入射到光纖的纖芯中進行泵浦的（纖芯直接泵浦光纖激光器）。但是對于單模光纖（SMF）的纖芯直接泵浦，因為芯徑非常細，將高強度的泵浦光導入到纖芯中，無論在技術上還是在材料方面都很困難（特別是使用空間輸出型LD的場合）。另外，對于多模光纖（MMF）的纖芯直接泵浦方式，光束品量降低，無法滿足大功率高光束品量的加工要求。但是，1988年大功率和高光束品量兼?zhèn)涞墓饫w激光器實現(xiàn)方法得到提議，就是使用雙包層光纖（Double Clad Fiber，DCF）進行包層泵浦的光纖激光器（雙包層光纖激光器）。這種雙包層光纖激光器迅速普及，成為現(xiàn)在的大功率光纖激光器的主流泵浦方法。下圖是普通光纖與雙包層光纖的對比示意圖。（a）普通單包層光纖（b）雙包層光纖第四章 光纖激光器光纖激光器是使用摻稀土類的光纖作為介質(zhì)的激光器。雖然它是固體激光器的一種，但是因為介質(zhì)的形狀很不同，一般將Nd: YAG等的塊狀固體激光器與光纖激光器分開來考慮。有連續(xù)（CW）振蕩和脈沖振蕩的光纖激光器兩種，前者具有大功率，多應用在切割和焊接方面，后者為小功率，多用在微細加工和打標記方面。至今描述的塊狀固體激光器中，泵浦光和激光的耦合效率低，模式控制也比較困難。由于光學系統(tǒng)的反射鏡、透鏡等的塵埃附著，周圍環(huán)境的熱和機械影響帶來的光軸偏離等，導致發(fā)生輸出功率降低和光束品量變差等現(xiàn)象。更進一步，隨著大功率化，熱透鏡效應、熱致雙折射效應等熱效應變得顯著，所以光束品量大幅降低。而光纖激光器克服了固體激光器的這些缺點，顯示出一些新的特征。圖41 光纖激光器基本構(gòu)造圖41所示為光纖激光器的基本構(gòu)成，只有激光增益介質(zhì)選用光纖，由包含空間耦合元件在內(nèi)的法布里珀羅型光纖激光器的諧振腔構(gòu)成。如此，光纖激光器的構(gòu)成要素和固體激光器是一樣的，但塊狀的諧振腔構(gòu)成元件可以用引線元件代替，可以減少元件數(shù)目。傳統(tǒng)的塊狀激光諧振腔的調(diào)整復雜，激光諧振腔的制作需要豐富的經(jīng)驗和組裝時間。相對地，光纖激光器可以使用模塊化的光纖通信技術，一般人都可以簡單地組裝穩(wěn)定的激光諧振腔。光纖激光器的實用化是從光通信帶（）的摻鉺（Er）光纖激光器開始的。1985年利用改進型化學氣相沉積法制成了低損耗硅玻璃的單模光纖，開發(fā)了低噪聲的摻Er光纖放大器（EDFA），所以才有不需要光電轉(zhuǎn)換的光信號而被直接放大成為可能。因為EDFA的開發(fā)，光通信市場開始活躍，與900nm帶的InGaAs系LD的普及和高性能化一起，光纖激光放大器的研究開發(fā)得到了快速發(fā)展。光通信以外，最初被應用的大功率光纖激光器是摻釹（Nd）的光纖激光器（釹纖維激光器）。1988年，先前的型芯泵浦概念被打破，而后是包層泵浦的Nd的光纖激光器登場以來，CW光纖激光器的輸出功率呈飛躍式增大。1999年采用包層泵浦Nd光纖的CW光纖激光器已達到100W，2002年已達到1kW?，F(xiàn)在作為由于摻Nd介質(zhì)而具有優(yōu)良特性的大功率激光器的摻鐿（Yb）光纖激光器的研究發(fā)展很快。Yb光纖激光器的振蕩波長在1030~1100nm之間，2005年摻Y(jié)b單模光纖激光器CW2kW、2008年CW6kW、2009年CW10kW（商品化產(chǎn)品為2kW），多模50kW已制成。因為光纖激光器的光束品量非常優(yōu)良，在切割加工、打標記、遠程焊接等工業(yè)應用中，正在逐漸取代其他激光器。另外，在2μm帶，摻銩（Tm）光纖激光器（Tm光纖激光器）的研究得到進展。因為可以應用在醫(yī)療設備和特殊加工等領域。全反射鏡高反射鏡，光源95%被反射，5%被輸出圖42 光纖激光器原理圖如圖42所示，光纖激光器的原理圖與其他激光器一樣，也是由最主要的三部分組成：泵浦源（LD）、工作介質(zhì)、諧振腔。在光纖激光器中，工作介質(zhì)是摻雜了稀土元素的光纖。首先種子光源由泵浦光產(chǎn)生，通過光學耦合系統(tǒng)將泵浦光導入到增益光纖中，產(chǎn)生受激輻射，在工作介質(zhì)中，種子光源被放大，但是還達不到我們需求的強度，這時諧振腔起到了振蕩光的作用，放大的光到達右邊的高反射鏡后絕大部分被重新反射進入增益光纖中，從而在增益光纖中再次發(fā)生受激輻射光放大。光源又一次被放大，諧振腔的左邊是一個全反射鏡，將光源再次反射，在兩面鏡子之間，光源每反射一次，激光就產(chǎn)生一次放大過程。直到光強度達到閥值后，放大光的一小部分才通過右邊的半反射鏡輸出，成為供人使用的激光，而其他95%的光則繼續(xù)被反射回去產(chǎn)生光放大。（1）小型輕量化光纖可以彎曲，所以可以做到小型輕量化。另外，激光頭可以做的很小，可以獲得柔軟性的系統(tǒng)更新。因此，可以降低裝置的購置費用，安裝場所也可以較靈活地決定。（2）不需要維護固體激光器隨著大功率化，由于熱透鏡效應和熱致雙折射效應等熱效應顯著，因此光束品量大幅降低。為此，開發(fā)塊體固體激光器時，冷卻方法必須慎重地設計。另一方面，光纖激光器的冷卻方法在100W以內(nèi)可以用空冷，這是因為作為激光介質(zhì)的光纖的表面積/體積的比值要比塊狀固體激光器的棒形介質(zhì)大4個量級以上，有優(yōu)良的散熱性。（3）優(yōu)良的光束品量從光纖發(fā)射的激光NA（數(shù)值孔徑）較小，容易聚光。由此可以達到大功率密度化，實現(xiàn)高分辨率加工