光纖激光器最新進(jìn)展

張健1鄭杰1張亮2 王立軍2 張玉書1
(1.吉林大學(xué)電子科學(xué)與工程學(xué)院 吉林 長春 130023；
2.中國科學(xué)院長春光學(xué)精密機(jī)械與物理研究所 吉林 長春 130033)

摘要：本文簡要介紹了光纖激光器的結(jié)構(gòu)，特點和應(yīng)用。同時介紹了光纖激光器，尤其是高功率雙包層光纖激光器領(lǐng)域的研究熱點及其發(fā)展趨勢。
關(guān)鍵詞：摻雜雙包層光纖；泵浦結(jié)構(gòu)；諧振腔

Proceedings of Fiber Laser

ZHANG Jian1 ，ZHENG Jie1 ，ZHANG Liang2 ， WANG Li-jun2 ，ZHANG Yu-shu1
（1. National Integrated Optoelectronics Laboratory, Jilin University, Changchun Jilin 130023；
2. Changchun Institute of Optics .Fine Mechanics and Physics, Chinese Academy of Science，Changchun Jilin 130033)

 
Abstract: The structure, characteristics and applications of fiber lasers are described in this paper. The hot point and future trend of fiber lasers, especially high power double cladding fiber lasers are also discussed.
Key words: doped double cladding fiber, pump structure, resonater

對摻雜光纖作為增益介質(zhì)的光纖激光器的研究始于20世紀(jì)60年代，而直到80年代后期，隨著光纖制造工藝與半導(dǎo)體激光器生產(chǎn)技術(shù)的日趨成熟，以及光通訊技術(shù)的迅猛發(fā)展，大功率光纖激光器領(lǐng)域的研究才取得實質(zhì)性突破。由于光纖激光器以靈巧的半導(dǎo)體激光二極管作為泵源,以柔軟的光纖作為波導(dǎo)和增益介質(zhì),同時可采用光纖光柵,耦合器等光纖元件,因此無需光路機(jī)械調(diào)整,結(jié)構(gòu)緊湊,便于集成，其特有的全光纖結(jié)構(gòu)使器件的抗電磁干擾性強(qiáng)，溫度膨脹系數(shù)小，在頻域上應(yīng)用WDM及光纖傳感技術(shù)可實現(xiàn)多波長可調(diào)諧輸出，在時域上結(jié)合激光鎖模技術(shù)可產(chǎn)生幾乎沒有啁啾的皮秒級超短變換極限光脈沖。與固體激光器和半導(dǎo)體激光器相比，光纖激光器具有無可比擬的優(yōu)點。目前光纖激光器作為光源在光通信領(lǐng)域已得到廣泛應(yīng)用，而隨著大功率雙保層光纖激光器的出現(xiàn)，其應(yīng)用正向著激光加工、圖像顯示和生物醫(yī)療等更廣闊的領(lǐng)域迅速擴(kuò)展。本文以下內(nèi)容概述了光纖激光器的基本結(jié)構(gòu)、特點、應(yīng)用及其發(fā)展前景。

1．光纖激光器結(jié)構(gòu)
光纖激光器的基本結(jié)構(gòu)與其他激光器基本相同。

光纖激光器主要由泵源，耦合器，摻稀土元素光纖，諧振腔等部件構(gòu)成。泵源由一個或多個大功率激光二極管構(gòu)成，其發(fā)出的泵浦光經(jīng)特殊的泵浦結(jié)構(gòu)耦合入作為增益介質(zhì)的摻稀土元素光纖，泵浦波長上的光子被摻雜光纖介質(zhì)吸收，形成粒子數(shù)反轉(zhuǎn)，受激發(fā)射的光波經(jīng)諧振腔鏡的反饋和振蕩形成激光輸出。

1.1摻稀土元素光纖
光纖激光器是以摻稀土元素光纖作為增益介質(zhì)的，十五種稀土元素中比較常用的有源光纖摻雜離子有Nd3＋, Ho3＋, Er3＋, Tm3＋, Yb3＋等，上述幾種稀土元素的泵浦波長和激射波長如表1所示。
 Nd3+ Yb3+ Er3+ Tm3+ Ho3+
泵浦波長 795nm 800nm－1000nm 980nm 790nm,1260nm,1650nm 900nm1150nm
激射波長 1060nm1340nm 1030nm－1150nm 1550nm 1.9－2μm 2μm

從表1可看出，Yb3＋具有較寬的吸收帶（800nm-1000nm）和相當(dāng)寬的激發(fā)帶（1030nm-1150nm），因此泵源選擇非常廣泛而且泵浦光和激光都沒有受激吸收，以摻Y(jié)b3+光纖激光器為泵源的拉曼光纖激光器可行成1.2μm-1.6μm的激光輸出。摻Er3+光纖激光器的輸出波長對應(yīng)光通信主要窗口1.5μm，是目前應(yīng)用最廣泛和技術(shù)最成熟的光纖激光器。摻Tm3+，摻Ho3+ 光纖激光器的輸出波長在2.0μm左右，由于水分子在該波長附近有很強(qiáng)的中紅外吸收峰，因此用該波段激光器進(jìn)行手術(shù)時，激光照射部位血液迅速凝結(jié)，手術(shù)創(chuàng)面小，止血性好，又由于該波段激光對人眼是安全的，所以摻Tm3+，摻Ho3+ 光纖激光器在醫(yī)療和生物學(xué)研究方面有廣泛的應(yīng)用前景[1]。

近年來，為提高輸出功率，作為大功率光纖激光器增益介質(zhì)的摻稀土元素光纖多采用雙包層設(shè)計，即纖芯為相應(yīng)激光波長的單模摻雜光纖，內(nèi)包層為折射率較低、尺寸和數(shù)值孔徑與泵源輸出尾纖匹配的石英材料，外包層采用折射率低于內(nèi)包層的石英或聚合物材料。泵浦光耦合入光纖的內(nèi)包層，在雙包層光纖內(nèi)全反射的過程中多次穿過纖芯，使泵浦光被摻雜介質(zhì)吸收，形成粒子數(shù)反轉(zhuǎn)，產(chǎn)生激射波長輸出。這種包層泵浦技術(shù)將有效吸收面積擴(kuò)大了上百倍，大大地提高了泵浦吸收效率。目前，在雙包層光纖的基礎(chǔ)上又推出了一種新型的“M型”光纖，即在預(yù)制棒制備過程中控制稀土元素?fù)诫s濃度的分布，使拉制后的雙包層光纖纖芯折射率成M型分布。理論和實驗表明這種新型光纖具有更高的泵浦吸收效率，采用M型光纖的光纖激光器只需幾米長的摻雜光纖就可將泵浦能量完全吸收，而同等摻雜濃度的普通雙包層光纖則需要十米至五十米[2]。

對于圓形內(nèi)包層的雙包層光纖，由于大量螺旋光的存在，纖芯的吸收效率只有10％，因此內(nèi)包層形狀的設(shè)計也是提高泵浦吸收效率的關(guān)鍵。偏心形內(nèi)包層，D形內(nèi)包層，矩形內(nèi)包層，六角形內(nèi)包層先后被采用[3]，實驗證明，不規(guī)則、非對稱性的內(nèi)包層形狀能使泵浦吸收效率得到有效提高。目前在實驗研究中被廣泛采用的還有梅花瓣形內(nèi)包層結(jié)構(gòu)，此外光子晶體光纖在光纖激光器中的應(yīng)用也逐漸成為研究的熱點（如圖6所示）[4]。

1.2 泵浦結(jié)構(gòu)
泵浦結(jié)構(gòu)的設(shè)計是高功率光纖激光器的一項關(guān)鍵技術(shù)。在初始研究階段端面泵浦和側(cè)向泵浦結(jié)構(gòu)被廣泛采用，端面泵浦技術(shù)受包層橫截面積的限制影響泵浦功率進(jìn)一步提高。而側(cè)向泵浦技術(shù)由于采用透鏡準(zhǔn)直聚焦而使系統(tǒng)穩(wěn)定性下降，不利于實用化。

目前實用化的光纖激光器所采用的是多模光纖耦合器，俄羅斯GPI研究所研制的GTW多模光纖耦合器，其結(jié)構(gòu)與星形耦合器相似。L1，L2端與半導(dǎo)體激光二極管輸出尾纖相熔接，左右兩端分別熔接摻雜雙包層光纖和光纖光柵。IPG公司采用的錐形多模光纖耦合器示意圖。多模光纖耦合器突破了包層泵浦技術(shù)的限制，可以將多個激光二極管輸出的光幾乎無損地耦合到增益光纖的內(nèi)包層，有效地提高了泵浦效率，使千瓦級甚至萬瓦級激光輸出成為可能。

近年來人們在高功率光纖激光器泵浦結(jié)構(gòu)方面又有一些新的探索，日本科學(xué)家Hiroshi Sekiguchi 提出“任意形狀激光器”方案[5]，該方案將摻稀土元素光纖盤成圓盤狀或圓柱狀等不同形狀，在光纖縫隙間填充與光纖包層同折射率的材料，泵浦光從邊緣注入，這樣泵浦光的吸收面積比單根雙包層光纖內(nèi)包層的面積大大增加，而且泵浦光多次通過摻雜纖芯，也將使摻雜元素對泵浦光吸收更加充分。這種“任意形狀”的光纖激光器有望實現(xiàn)更高的激光功率輸出。

1.3 諧振腔
制備合適的光學(xué)諧振腔是高功率光纖激光器實用化的又一項關(guān)鍵技術(shù)。目前,高功率光纖激光器的諧振腔主要有兩種，一種是采用二色鏡構(gòu)成諧振腔[6]，這種方法一般需要在防震光學(xué)平臺上實現(xiàn)，因而降低了光纖激光器的穩(wěn)定性和可靠性，不利于該產(chǎn)品的產(chǎn)業(yè)化與實用化；另一種是采用光纖光柵做諧振腔[7]，光纖光柵是透過紫外誘導(dǎo)在光纖纖芯形成折射率周期性變化的低損耗器件,具有非常好的波長選擇特性。光纖光柵的采用，簡化了激光器的結(jié)構(gòu)窄化了線寬，同時提高了激光器的信噪比和可靠性，進(jìn)而提高了光束質(zhì)量。另外，采用光纖光柵做諧振腔可以將泵浦源的尾纖與增益光纖有機(jī)地熔接為一體，避免了用二色鏡和透鏡組提供激光反饋帶來的損耗，從而降低了光纖激光器的閾值，提高了輸出激光的斜率效率。根據(jù)對輸出激光特性的不同要求可選擇單模光纖光柵和多模光纖光柵作為諧振腔的反射鏡，單模光纖光柵具有單一的反射峰值和很窄的反射半寬，對應(yīng)的激光輸出為單模，光束質(zhì)量高，單色性好，但輸出功率較低；多模光纖光柵是在多模漸變折射率光纖上通過紫外誘導(dǎo)寫入的光纖光柵，能反射多個波長，反射半寬較寬，應(yīng)用多模光纖光柵做腔鏡的光纖激光器輸出光束為多模，可實現(xiàn)高功率的激光輸出，但輸出光光束質(zhì)量較差。

3 光纖激光器特點及應(yīng)用
光纖激光器以光纖作為波導(dǎo)介質(zhì)，耦合效率高，易形成高功率密度，散熱效果好，無需龐大的制冷系統(tǒng)，具有高轉(zhuǎn)換效率，低閾值，光束質(zhì)量好和窄線寬等優(yōu)點。光纖激光器通過摻雜不同的稀土離子可實現(xiàn)380nm－3900nm波段范圍的激光輸出，通過光纖光柵諧振腔的調(diào)節(jié)可實現(xiàn)波長選擇且可調(diào)諧。美國IPG公司已于2004年8月在德國建成10KW摻Y(jié)b雙包層光纖激光器，該激光器輸出光束質(zhì)量為11.5mm.mrad，輸出功率1KW～10KW連續(xù)可調(diào)，最大功率密度30MW/cm2,輸出尾纖直徑200μm，這是迄今為止已報道的最高光纖激光器功率輸出[8]。而英國，俄羅斯，日本，德國等國也在光纖激光器領(lǐng)域取得許多重要成果。其中英國南安普頓大學(xué)研制的1KW單模光纖激光器保持著單模光纖激光器最高輸出的紀(jì)錄[9]。
與傳統(tǒng)的固體激光器相比，光纖激光器體積小，壽命長，易于系統(tǒng)集成，在高溫高壓，高震動，高沖擊的惡劣環(huán)境中皆可正常運(yùn)轉(zhuǎn)，其輸出光譜具有更高的可調(diào)諧性和選擇性。 表2是大功率光纖激光器與傳統(tǒng)固體激光器的性能參數(shù)比較[10]。

 CO2激光器 Lp-ND-YAG激光器 DP-YAG激光器 摻Y(jié)b3+雙包層光纖激光器
波長/μm 1.06 1.06 1.06 1－1.2
電光效率/ % 5－10 1－3 5－10 12－20
功率/KW 1－20 0.5－5 0.5－10 0－10
光束參數(shù)/ mm.mrad >100 50－80 25－50 1－20
石英光纖傳輸 否 能 能 能
維修周期/Khr 1－2 <1 3－5 40－50

由表2 可看出，高功率光纖激光器的各項性能指標(biāo)遠(yuǎn)優(yōu)于固體激光器，因此光纖激光器被一致認(rèn)為是有可能全面替代固體激光器的新一代產(chǎn)品。
由于其波段涵蓋了1.3μm和1.5μm兩個主要通信窗口，因此光纖激光器在光通信領(lǐng)域擁有不可替代的地位，大功率雙包層光纖激光器的研制成功使其在激光加工領(lǐng)域的市場需求也呈迅速擴(kuò)展的趨勢。光纖激光器在激光加工領(lǐng)域的范圍和所需性能具體如下：軟焊和燒結(jié)：50－500W；聚合物和復(fù)合材料切割：200W－1kW；去激活：300W－1kW；快速印刷和打�。�20W－1kW；金屬淬火和涂敷：2－20kW；玻璃和硅切割：500 W－2kW[11]。此外，隨著紫外光纖光柵寫入和包層泵浦技術(shù)的發(fā)展，輸出波段在紫光、藍(lán)光、綠光、紅光及近紅外光的波長上轉(zhuǎn)換光纖激光器已可以作為實用的全固化光源而廣泛應(yīng)用于數(shù)據(jù)存儲，彩色顯示，醫(yī)學(xué)熒光診斷。遠(yuǎn)紅外波長輸出的光纖激光器由于其結(jié)構(gòu)靈巧緊湊，能量和波長可調(diào)諧等優(yōu)點，也在激光醫(yī)療和生物工程等領(lǐng)域得到應(yīng)用。

4.前景與展望
目前，光纖激光器可實現(xiàn)800nm－2100nm波段的激光輸出，最大功率已達(dá)到萬瓦量級，應(yīng)用也從光通信擴(kuò)展到激光加工、激光打標(biāo)、圖像顯示、生物工程、醫(yī)療衛(wèi)生等領(lǐng)域。未來光纖激光器的發(fā)展趨勢將體現(xiàn)在以下幾個方面：（1）光纖激光器本身性能的提高：如何提高輸出功率和轉(zhuǎn)換效率，優(yōu)化光束質(zhì)量，縮短增益光纖長度，提高系統(tǒng)穩(wěn)定性并使其更加小巧緊湊將是未來光纖激光器領(lǐng)域研究的重點。（2）新型光纖激光器的研制：在時域方面，具有更小占空比的超短脈沖鎖模光纖激光器一直是激光領(lǐng)域研究的熱點，高功率飛秒量級脈沖光纖激光器一直是人們長期追求的目標(biāo)，該領(lǐng)域研究的突破不僅可以給光通信時分復(fù)用（OTDM）提供理想的光源，而且可以有效帶動激光加工、激光打標(biāo)及激光加密等相關(guān)產(chǎn)業(yè)的發(fā)展。在頻域方面，寬帶輸出并可調(diào)諧的光纖激光器將成為研究熱點，近來，一種采用ZEBLAN材料（Zr、Ba、La、Al、Nd）為激光介質(zhì)的非線性光纖激光器引起了人們的重視，該激光器具有相當(dāng)寬的帶寬和低損耗，可實現(xiàn)波長上轉(zhuǎn)換幾個波段，被專家譽(yù)為下一代通信材料，如能實現(xiàn)大規(guī)模生產(chǎn)將會在激光打印和大屏幕顯示領(lǐng)域產(chǎn)生幾十億美元的市場[10]�？梢灶A(yù)見，隨著相關(guān)技術(shù)的完善，光纖激光器將向更廣闊的領(lǐng)域發(fā)展，并有可能成為替代固體激光器和半導(dǎo)體激光器的新一代光源，形成一個新興的產(chǎn)業(yè)。

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