激光器的种类非常多,不知道题主想问的是哪种大功率激光器?恰好对光纤激光器有一点粗浅的了解,这里简单介绍一下光纤激光器的工作原理和发热机理,如果有错漏之处,还请帮忙纠正。
泵浦源可以简单理解为是能量源,它提供能量给低能级的电子,将其激发为高能级电子,实现粒子数的反转。泵浦源可以通过电子、光子、化学作用等方式提供能量,光纤激光器的泵浦源通常会是一个半导体激光器(套娃行为),这个半导体激光器会输出一定波长的激光作为能量源;
增益介质是一种发生粒子数反转,并产生受激辐射光的物质,其物理特性会决定产生激光的波长。光纤激光器用的增益介质自然就是有源光纤了,但这个光纤和一般的光纤可不一样,里面通常会掺杂稀土元素。常用的稀土元素包括Nb^{3+}、Yb^{3+}、Er^{3+}、Tm^{3+},不同的稀土元素在不同波长的激光照射下,会得到不同波长的激光,可以按需搭配组合;
光学谐振腔可以理解为是两面互相平行的“镜子”,一面全反射,一面半反射。增益介质中产生的激光会在反射镜间来回反射,激光多次经过增益介质的过程中可以被不断放大,当放大到足够程度的时候,就能从半反射镜中发射出去。当然,不同激光器使用的“镜子”形式也不同,像光纤激光器通常使用的就是光栅。
经过上面这一通介绍,可知光纤激光器整体靠电源提供能量,经过一系列能量转换,最终输出高功率的激光。但在其工作中,各器件都会存在一定转换效率,这也是发热的来源,直接放一张论文里的图说明[1]:
①泵浦源产热:之前说到光纤激光器主要采用半导体激光器(LD)作为泵浦源,LD大概只有一半的电能转化成光能,其余的都转换成废热。
②有源光纤产热:就拿Yb^{3+}有源光纤来说,其能级能够参与的跃迁方式包括三能级跃迁和四能级跃迁。以Yb^{3+}的四能级跃迁模型为例,2能级粒子向1能级粒子跃迁的时候辐射光子(即产生激光),但其他过程属于无辐射跃迁,无辐射跃迁的过程中,就会产热。
③光纤熔接点产热:光纤激光器系统中,所有元器件之间的连接都是通过光纤之间的熔接实现的。光纤熔接点或多或少都会产生光损耗,这些损耗自然也都变成废热了。
总之,由于上面这一系列的损耗,光纤激光器的能量转换效率一般不到50%。也就是说,输入3000W电能的线W的激光,其余的电能就都通过发热损耗掉了。