光纤激光器是指以光纤为基质掺入某些激活离子作做成工作物质,或者是利用光纤本身的非线性效应制作成的一类激光器，光纤激光器可在光纤放大器的基础上开发出来：在泵浦光的作用下光纤内极易形成高功率密度，造成激光工作物质的激光能级“粒子数反转”，当适当加入正反馈回路（构成谐振腔）便可形成激光振荡输出。
早在 20 世纪 60 年代 ,掺稀土元素光纤激光器伴随着激光技术的研究得以发展 ,但受早期光纤损耗太大的限制 ,光纤激光器的研究进展相对缓慢。直至 80 年代光纤通信才得以迅猛发展 ,特别是英国南安普敦大学用金属化学汽相沉积(MCVD)法制成低损耗的掺铒光纤 ,而掺铒光纤激光器激射波长恰好位于光通信的低损耗窗口 ,随着掺铒光纤放大器( EDFA)在光通信中地位的不断提高 ,才使光纤激光器再次受到世界各国的普遍关注 ,从而得到迅速发展且在通信领域发挥着越来越重要的作用。
为了满足增大通信容量的需求 ,目前人们主要采用时分复用技术( TDM)来增加单信道码率 ,采用波分复用技术(WDM)来增加原有光纤系统的通信信道。其中 ,以掺杂光纤为基质的光纤激光器不仅能够产生连续激光输出 ,而且能够实现皮秒(ps)甚至飞秒(f s)超短光脉冲的产生。光纤激光器在降低阈值、 振荡波长范围、 波长可调谐性等方面已取得了长足进步 ,是目前光通信领域中的新兴技术。它可以利用现有的通信系统支持更高的传输速率和带宽 ,是未来高码率密集波分复用系统和相干光通信的基础 ,并在未来通信领域中起着不可替代的作用。
一般的光纤激光器大多是在光纤放大器的基础上发展起来的。它用掺稀土元素的光纤 ,加上一个恰当的反馈机制便形成了光纤激光器(如图1所示) 。掺稀土元素的光纤充当光纤激光器的增益介质。在光纤激光器中有一根非常细的光纤纤芯 ,由于外泵浦光的作用 ,在光纤内很容易形成高功率密度 ,从而引起激光工作物质能级的粒子数反转 ,当适当加入反馈机制 ,很容易从纤芯输出激光。但是 ,早期的光纤激光器是将泵浦光直接耦合进入直径小于 10 μm 的单模光纤纤芯 ,其耦合效率低 ,导致光纤激光器的输出功率较低 ,一般输出毫瓦量级。对于大多数应用领域 ,更需要瓦级的光功率输出。双包层光纤的发明解决了这一难题。
双包层光纤由纤芯、 内包层、 外包层和保护层组成(如图 2 所示) 。纤芯是掺稀土元素的单模光波导 ,内包层是横向尺寸和数值孔径比纤芯大得多、 折射率比纤芯小的多模光波导 ,外包层是折射率比内包层小的聚合物 ,最外层是由硬塑料等材料构成的保护层。双包层光纤与普通光纤的区别在于泵浦光耦合进入内包层而并非纤芯 ,泵浦光在内包层中传播 ,反复穿越纤芯被掺杂介质吸收 ,从而使纤芯中传播的光比例增加 ,显着提高了耦合效率和入纤泵浦功率 ,耦合效率可达 90 %以上。双包层光纤的研制为瓦级甚至更高功率单模光纤激光器的实现奠定了坚实的基础。
与半导体激光器相比 ,光纤激光器的优势主要体现在:
(1)可以将稀土离子吸收光谱对应的高功率、低亮度、 廉价的多模 LD 光通过泵浦双包层光纤结构 ,实现高亮度、 衍射受限的单模激光输出;
(2)光纤作为圆柱形波导介质 ,纤芯直径小 ,纤内易形成高功率密度 ,从而引起激光工作物质能级的粒子数反转 ,构成的激光器具有激光阈值低、 转换效率高、 光束质量好等特点;
(3)光纤结构具有很高的 “表面积/体积” 比 ,因而散热效果好无需庞大的水冷系统 ,只需简单的风冷即可;
(4)光纤具有很好的柔绕性 ,激光器可设计得相当小巧灵活 ,易于系统集成 ,同时可在恶劣环境下工作 ,适合于野外施工;
(5)光纤激光器的激射波长取决于掺稀土离子 ,不受泵浦波长的限制 ,所以可以通过掺杂不同稀土离子在 0. 38～4 μm 范围内实现激光输出 ,波长选择容易且可调谐 ,这对DWDM 系统具有非常重要的意义;
(6)光纤输出与现有通信光纤很匹配 ,易于耦合且效率高 ,可形成传输光纤与有源光纤一体化 ,是实现全光通信的基础。
1） 增益介质的表面积/体积比大
光纤激光器采用光纤做增益介质，具有很大的表面积/体积比，这使其具有非常好的散热性能，因此，即使非常高功率的光纤激光器，增益介质也不会受到热损害，一般无需对增益介质采取特别的散热措施，而其他种类的激光器，增益介质的散热问题是需要重点考虑的，因此，该特点是光纤激光器所独有的。
2） 优异的双波导限制机制
高功率光纤激光器采用双包层有源光纤，这种双包层光纤是一种双波导结构，高功率的多模泵浦光被限制在直径较大的内包层中传输，为采用高功率廉价的多模泵浦光提供了条件，信号激光在直径很小的具有圆对称波导结构的纤芯中产生和传输，在小芯径纤芯波导的限制下，信号激光可获得理想的光束质量和极小的出光光斑直径，这是光纤激光器独具吸引力的重要特点，在高功率激光器中，目前还没有一种激光器能够超越。优异的光束质量和极小的出光光斑直径在激光应用中具有非常重要的意义，可使后续应用设备的光学系统更简单，体积更小，工作距离更长，激光聚焦光斑更小，工作效率更高，加工深度更深，加工质量更好等等。
3） 固有的全封闭柔性光路
光纤激光器的光路全部由光纤和光纤元件构成，光纤和光纤元件之间采用光纤熔接技术连接，整个光路完全封闭在光纤波导中。这种天然的全封闭性光路一旦形成，无需另加隔离措施即可自成体系，实现与外界环境的隔离。由于光纤细小并具有很好的柔性，光路可盘绕和沿细小的管道穿行，因此，光纤激光器能够在比较恶劣的环境下工作，输出光可穿过狭小的缝隙或沿细小的管道进行远距离传输。这些特点在工业应用中优势巨大，激光器不但能适应比较恶劣的工作环境，而且可使激光器远离出光点，可将激光引入到以前很难到达的地方，可非常容易移动和改变出光点，实现多加工点共用一台激光器，可使激光加工设备的设计具有更高的灵活性等等。
4） 光路具有免维护特性
如前所述，光纤激光器的光路全部由光纤和光纤元件构成，光纤和光纤元件之间采用光纤熔接技术连接，因此，光路一旦完成，即形成一个整体，实践证明，这样形成的连接结构和连接参数将长期保持稳定，如果光纤和光纤元件本身能有长期稳定性，整个光路将长期稳定，无需维护。需要特别指出的是，这种免维护的特性并非不可维护和维修，在需要的情况下，整个光路的维护和维修同样可以进行，因此，与气体和固体等激光器需要频繁的维护和维修相比，光纤激光器光路的免维护特性异常优异，而与半导体激光器的不可维修性相比，光纤激光器的可维护性和可维修性又表现出明显的优势。
5） 单条宽发光区长寿命多模泵浦激光器
光纤激光器的光路具有长期的稳定性，因此，需要与之匹配的长寿命泵浦激光器才能获得整机的长寿命。发展低价格的长寿命多模泵浦激光器是发展长寿命光纤激光器的重点。单条宽发光区多模泵浦激光器就是根据这一理念而设计的一种长寿命半导体泵浦激光器，其条宽一般取100mm，基本上已接近105/125多模光纤的纤芯直径，其有源区条宽是列阵半导体激光器的几十倍，对单一发光条来说，同样输出功率和同样注入电流情况下，其光功率密度和电流密度将降低几十倍，有源区温度也会有所降低，在忽略其他因素的前提下，单条宽发光区半导体泵浦激光器降低失效率的作用是异常显着的。目前尾纤输出功率大于5W的单条宽发光区半导体泵浦激光器的平均无故障工作时间已经达到50万小时以上。
6） 寿命长
从前面的讨论我们已经知道，采用单条宽发光区半导体泵浦激光器作为光纤激光器的泵浦源，光纤激光器将具备长寿命的特点，因此，制作具有几十万小时的长寿命光纤激光器在技术上已经可行。
7） 体积小重量轻
光纤激光器由于光路可盘绕，光路占用空间较小，在采用单条宽发光区半导体泵浦激光器做泵浦源的情况下，泵浦激光器可分散安装，具有很好的散热特性，在安装密度不高的情况下，采用风冷即可，在安装密度较高的情况下，只需少量通水即可满足散热要求，因此，光纤激光器的体积比同样输出功率的气体和固体激光器系统更小，重量更轻。
8） 输出功率大
光纤激光器输出功率在突破100W以后，输出功率水平飞速增长，只用了三年多时间，达到的输出功率水平已经超过了YAG固体激光器和CO2气体激光器用三十多年达到的输出功率水平，目前光纤激光器的实验室水平已经超过10万瓦，3万瓦的光纤已经商品化，已经销售的光纤激光器，输出功率为17000W。可以预见，光纤激光器将成为长时间连续输出功率的激光器。
9） 节水节电节成本
光纤激光器具有优异的热性能，电光效率较高，节水节电，尤其重要的是可长期免维护使用，可节约大量维护经费和时间，提高工作效率。
10） 造价不断降低
光纤激光器的光路全部由光纤和光纤元件构成，由于原料易得，在技术、产品和市场成熟之后，可大幅度降低成本。除光路部分外，半导体泵浦激光器是构成光纤激光器成本的主要部分，从光通信的发展历史和经验来看，随着技术的发展和市场容量的不断扩大，大幅度降低半导体泵浦激光器的成本将成为必然趋势。
按照光纤材料的种类，光纤激光器可分成一下几种类型：
一：晶体光纤激光器 工作物质是激光晶体光纤，主要有红宝石单晶光纤激光器和nd3+：YAG单晶光纤激光器等；
二：非线性光学型光纤激光器 主要有受激喇曼散射光纤激光器和受激布里渊散射光纤激光器；
三：稀土类掺杂光纤激光器 光纤的基质材料是玻璃，向光纤中掺杂稀土类元素离子使之激活，而制成光纤激光器；
四：塑料光纤激光器 向塑料光纤芯部或包层内掺入激光染料而制成光纤激光器。
IPG公司－－大功率光纤激光器的代表
YLP 系列
是专为OEM应用而设计的一款免维护MOPFA 和 Q-开关的脉冲掺镱光纤激光器，这例激光器通过一条柔软的带有金属护套的单模光纤，将1070nm的高功率激光直接引入集成设备（各种切割、焊接、打标等设备），经过准直扩束，再聚焦后的光斑尺寸可以几个微米或更小。这束接近衍射极限的超高质量的激光可以用于打标、钻孔、或加工不同的材料。YLP 系列对于脉冲宽度、重复频率、和峰值功率可以提供一个非常宽范的选择。
应用领域：电子五金、手机按键、医疗器件、产品包装、眼镜钟表、汽车配件、在线生产、礼品广告、物质探测。
YLR系列
IPG公司生产的YLR系列代表了具有革命性，新一代的，近红外光谱，同时与有高功率，理想的光束质量，可进行光纤传导，高电光转换效率等特性的二极管泵浦单模连续波掺镱光纤激光系统。这类激光系统展示出其他各种固体激光器及气体激光器无与伦比的高可靠性。这种先进的光纤激光系统具有以下各种给人留下深刻印象的优越性：很宽的运行波长选择，超低的幅度噪声，极高的稳定性和超长的泵浦二极管寿命。
应用领域：电子五金、手机按键、医疗器件、产品包装、眼镜钟表、汽车配件、在线生产、礼品广告、物质探测。
YLM系列
YLM系列主要为免维护的OEM应用而设计。YLM二极管泵浦光纤激光通过一条带有金属护套的单模光纤传导光束直径为1.07微米，接近衍射极限（M2<1.05）高质量激光束。这种体积小，免维护的激光适用于高冲击、振动和灰尘较大等场合，可以忍受90%的相对湿度，并且在-20到60摄氏度的宽温条件下可以正常工作。YLM系列激光可以直接用于微细加工，雕刻，材料处理，和打标等用途的系统集成。
应用领域：电子五金、手机按键、医疗器件、产品包装、眼镜钟表、汽车配件、在线生产、礼品广告、物质探测。
