光纤激光器：原理、技术与应用

本书的两位作者，一位参与过早期光纤激光器的发明研究，一位仍然在这个领域的前沿探索着。他们从原理、技术和应用三个层面向读者系统介绍了光纤激光器的基础理论和技术发展。

林金桐,北大物理系毕业，北邮硕士，南安普敦大学博士。长期从事光纤研究，参与过光纤激光器早期发明研究。共发表论文560篇。14次出任国际学术会议主席。曾为第六任北邮校长；第5、6届中国通信学会副理事长。现任北邮顾问教授、欧洲光通信会议ECOC国际咨询委员。

　　清华大学出版社计划出版“变革性光科学与技术丛书”，询问我是否愿意参与撰写一本。其实我已经退休多年，研究组里教授职责也早就从责任教授改成了顾问教授。但这“变革性”三个字对我还是有吸引力的。我于是想到写这一本《光纤激光器：原理、技术与应用》。

　　我1985年到英国留学，在英国学习和工作了八年。在南安普顿的光纤研究组里参与了光纤激光器的早期发明研究。回国后虽然当教授创建和领导了一个研究组，但主要的研究领域偏向了通信，加上行政上承担着一些职务，因此一直没有时间去整理出版一本光纤激光器方面的书籍。

　　出书是耗费时间和精力的工作。为了不至于把出书时间拖得太长，就想到把一些“技术与应用”的章节请年轻学者来完成。我邀请到一位年轻女教授施进丹。

　　施进丹是我研究组里毕业的硕士，她在南安普顿大学攻读了博士，又在那里从事博士后研究几年，后来还在英国SPI公司（简称SPI公司。2020年11月，SPI公司并入德国通快集团 TRUMPF）以高级工程师的身份从事高性能光纤激光器的研发工作。SPI公司是光纤激光器/放大器先驱戴维·尼尔·佩恩（David Neil Payne）教授创办的公司，公司的光纤激光器产品在全球享有盛名。2016年，施进丹回国在江苏师范大学任教并入选2017“江苏特聘教授”。近年来，她从事的国家自然科学基金委、中英合作、欧盟多国合作的几项科研项目等都与“光纤激光器”相关。因此，把“技术与应用”的章节让她来写，是再合适不过的。

　　本书分9章，前言和前4章由我完成，后5章由施进丹完成。为了让对某一章内容感兴趣的读者阅读起来方便，各章节自成体系。我们两位作者的前后章节中有个别重复的地方也就保留了，好在重复的篇幅很小。

　　我们两位作者，一位参与过早期光纤激光器的发明研究，一位仍然在这个领域的前沿探索着。我们试图从原理、技术与应用三个层面向读者介绍光纤激光器。高等院校的硕士研究生、博士研究生，可以从这本书学习光纤激光器的原理，或许同时也能学习怎样寻找研究方向； 在光电子领域创业公司从事技术开发工作的读者，可以学习到技术，或许也可以从书中描述的实验设计和技术介绍章节获得创新的灵感；对于设计应用产品的工程师，可以了解光纤激光器的近期发展和未来展望，或许也可以从光纤激光器的应用不断拓展的历史中得到设计新产品的启发。

　　我们两位作者，都是光纤激光器研发过程的亲历者和见证人。在这本科技书籍中，我们增添了“花絮”内容，用图片和文字向读者介绍了一些研发过程的人文故事，希望读者会得到科技内容以外的一些收获。

　　笔者感谢江苏师范大学冯宪教授、南京邮电大学张祖兴教授、中国科学院半导体所陆丹研究员在写作过程中提供的有益讨论和帮助。感谢北京邮电大学在读博士研究生刘畅对于写作的计算机及网络技术的支持。笔者感谢国家出版基金对于本书出版的资助。

　　限于作者水平，书中难免有不妥和遗漏之处，恳请读者批评指正。

　　本书配有导读视频和图库，请扫二维码观看。

2022年12月

　　　　　　　　　　本书导读视频 本书图库

第1章基础理论概要

1.1电磁波原理

1.1.1麦克斯韦方程组

1.1.2电磁波

1.1.3电磁波的衰减

1.1.4电磁波谱

1.1.5平面波、亥姆霍兹方程与标量解

1.2激光原理

1.2.1能级与粒子数分布

1.2.2自发辐射与受激辐射

1.2.3光学谐振腔

1.2.4荧光、超荧光和激光

1.2.5激光条件、阈值和输出功率

1.2.6光的偏振

1.3光纤原理

1.3.1光纤导光原理： 全反射

1.3.2阶跃光纤的射线分析基础

1.3.3光纤的数值孔径

1.3.4阶跃折射率光纤的模式

1.3.5阶跃折射率光纤的标量近似解

1.3.6模式截止条件

1.3.7单模光纤的电磁场分布

参考文献与深入阅读

第2章光纤激光器的早期研究

2.1历史回顾

2.2稀土元素和稀土掺杂玻璃的能级

2.3稀土掺杂光纤的制备

2.4光纤激光器的谐振腔

2.5光纤激光器早期研究成果

2.6光纤激光器的优点

参考文献与深入阅读

第3章光纤激光器的偏振效应

3.1光纤激光器与传统激光器的区别

3.1.1线偏振窄带泵浦光

3.1.2双折射谐振腔

3.1.3纵向泵浦系统

3.2实验样本与实验装置

3.3泵浦光传输和荧光的偏振特性

3.4光纤激光器的偏振效应现象

3.4.1自发辐射的荧光与泵浦光偏振取向无关

3.4.2“单模”光纤激光器存在两个正交的偏振激光模

3.4.3激光器输出激光的偏振度与泵浦光偏振取向有关

3.5光纤激光器的偏振效应理论

3.5.1玻璃结构

3.5.2电偶极子模型

3.5.3电偶极子辐射

3.5.4斯托克斯效应

3.5.5自发辐射和受激辐射

3.5.6三点假设

3.5.7速率方程

3.5.8两个正交的本征偏振模

3.5.9激光输出的偏振与泵浦光偏振取向的关系

3.5.10偏振受激截面比

3.5.11有效吸收泵浦功率

3.5.12偏振选择率

3.5.13泵浦功率的偏振耦合

3.6激光特性分析

3.6.1单程增益

3.6.2阈值

3.6.3斜率效率

3.6.4弛豫振荡频率

3.6.5偏振度

3.6.6偏振截面比的测量

3.6.7光纤激光器的单偏振操作

3.6.8单偏振操作的偏振效率

3.7光纤激光器偏振效应的应用

3.7.1单偏振光纤激光器

3.7.2光纤激光器的偏振开关

3.8结论

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第4章光纤激光器的增强操作

4.1单模单频

4.1.1单向环形光纤激光器

4.1.2短腔光栅光纤激光器

4.1.3腔内附加窄带选频器件的光纤激光器

4.2包层泵浦

4.2.1包层泵浦的概念

4.2.2双包层光纤的折射率分布

4.2.3双包层光纤的结构设计

4.3混合掺杂

4.3.1铒镱混合掺杂的光纤激光器

4.3.2混合掺杂介质的速率方程

4.3.3混合掺杂需要注意的问题

4.4频率上转换

4.4.1频率上转换的概念

4.4.2频率上转换光纤激光器

4.5自调Q自锁模

4.5.1同时自调Q和自锁模光纤激光器

4.5.2主动调Q和被动锁模光纤激光器

4.5.3一例半导体激光器自调Q实验

4.5.4同时自调Q和自锁模机理猜想

4.6多波长操作

4.6.1多波长输出的早期探索

4.6.2基于非线性偏振旋转效应产生多波长的技术

参考文献与深入阅读

第5章高功率光纤激光产生技术

5.1包层泵浦技术

5.1.1双包层光纤结构

5.1.2GTWAVE光纤结构

5.2大模场光纤技术

5.2.1传统双包层低NA大模场掺杂光纤

5.2.2传统大模场光纤激光器输出突破千瓦瓶颈

5.2.3掺杂离子和激光波长

5.2.4近单模传统大模场光纤激光器单纤输出功率

5.2.5传统大模场光纤激光器的单纤理论输出功率极限

5.3双包层大模场光子晶体光纤技术

5.4级联泵浦技术

5.5合束技术

5.5.1相干合束技术

5.5.2光谱合束技术

5.6激光器光束质量参数

5.7商用高功率光纤激光器

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第6章单频窄线宽光纤激光产生技术

6.1单频窄线宽光纤激光产生机理

6.2有源光纤短直腔DBR激光产生技术

6.3有源光纤DFB激光产生技术

6.4无源光纤非线性DFB激光产生技术

6.4.1概述

6.4.2拉曼-DFB光纤激光器理论模型

6.4.3拉曼-DFB光纤激光信号的动态演变过程

6.4.4高功率拉曼-DFB光纤激光器的实现及其输出特性

6.4.5拉曼-DFB光纤激光器的其他非线性现象

6.5高功率单频窄线宽光纤激光最新进展

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第7章光纤超快脉冲和超连续谱产生技术

7.1光纤超快脉冲产生机理

7.1.1光纤调Q脉冲激光产生技术

7.1.2光纤锁模脉冲激光产生技术

7.1.3光纤啁啾脉冲放大技术

7.2光纤超连续谱光源产生机理

7.3光纤超快脉冲和超连续谱技术的最新进展

7.3.1光纤超快脉冲技术最新进展

7.3.2光纤超连续谱技术最新进展

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第8章光纤激光器的应用

8.1高功率光纤激光器的典型应用

8.1.1在传统加工制造方面的应用

8.1.2在增材加工及制造方面的应用

8.1.3在激光清洗方面的应用

8.1.4在国防领域的应用

8.2单频窄线宽光纤激光器的应用

8.3超快脉冲光纤激光器的应用

8.4超连续谱光源的应用

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第9章光纤激光器的未来

9.1从市场角度看光纤激光器的机遇与挑战

9.2超大功率光纤激光器的光场调控技术

9.3高平均功率超快光纤激光器的未来发展趋势

9.4单频窄线宽光纤激光器的未来应用前景

参考文献与深入阅读

索引