光纖激光器綜述

摘要：光纖激光器技術(shù)是光學(xué)領(lǐng)域最為重要的技術(shù)之一，作為第三代激光技術(shù)的代表，其穩(wěn)定性好、效率高、閾值低、線(xiàn)寬窄、可調(diào)諧、緊湊小巧和性?xún)r(jià)比高等優(yōu)點(diǎn)，使得它在光纖傳感、光纖通信、工業(yè)加工I高等優(yōu)點(diǎn)，使得它在光纖傳感、光纖通信、工業(yè)加工I三

1=1I三

I三

1=1發(fā)展現(xiàn)狀、基本原理、優(yōu)點(diǎn)、實(shí)現(xiàn)的關(guān)鍵技術(shù)、應(yīng)用及其廣闊的前景。同時(shí)總結(jié)出了未來(lái)光纖激光器的發(fā)展方向，并且可以預(yù)計(jì)光纖激光器最終將可能會(huì)替代掉全球大部分高功率CO2激光器和絕大部分YAG激光

器。關(guān)鍵詞：光纖激光器；摻鐿雙包層光纖激光器；光纖融合技術(shù)；激光加工。引言光纖激光器是指用摻稀土元素玻璃光纖作為增益介質(zhì)的激光器，雖然光纖激光器得到了社會(huì)各方面的廣泛重視，但是光纖激光器并不是新型光器件。1961年，美國(guó)光學(xué)公司的Snitzer和Koester等在一根芯徑300um的摻Nd3+玻璃波導(dǎo)中進(jìn)行試驗(yàn)觀(guān)察到了激光現(xiàn)象，并與1963年和1964年發(fā)表了多組分玻璃光纖中的光放大結(jié)果，提出了光纖激光器和光纖放大器的思想。1975?1985年中有關(guān)這個(gè)領(lǐng)域的文章較少，不過(guò)在這期間許多發(fā)展光纖激光器的必須工藝技術(shù)已趨于成熟[1]。上個(gè)世紀(jì)80年代后期，美國(guó)Polaroid公司提出了包層抽運(yùn)技術(shù)，之后雙包層光纖激光器，特別是摻鐿雙包層光纖激光器發(fā)展非常迅速。1994年，PASK等首先在摻Y(jié)b3+石英光纖中實(shí)現(xiàn)了包層抽運(yùn)，得到了0.5W的最大激光輸出。1998年，Lucent技術(shù)公司的KOSINKI和INNISS報(bào)道了一種內(nèi)包層截面形狀為星形的摻Y(jié)b3+雙包層光纖激光器，得到了20W的激光輸出。1999年，DOMINIC等用4個(gè)45W的半

導(dǎo)體激光二極管陣列組成總功率為180W的抽運(yùn)源，在1120nm得到110W的激光輸出。2002年，IPG公司公布了2000W的摻Y(jié)b3+雙包層光纖激光器。目前，該公司已經(jīng)推出了輸出功率為17kW的摻Y(jié)b3+雙包層光纖激光器，雖然因?yàn)椴捎玫氖嵌嘟M激光合束的方式，致使激光器的光束質(zhì)量下降很大，但仍然在對(duì)功率要求高、光束質(zhì)量要求不是很高的場(chǎng)合有非常好的應(yīng)用前景。但如何提高功率，同時(shí)又保證光束質(zhì)量，是當(dāng)前研究要解決的難題之一。在國(guó)內(nèi)，關(guān)于摻Y(jié)b3+雙包層光纖激光器的研究起步較晚。從上個(gè)世紀(jì)年80代末，相繼有一些科研單位進(jìn)入光纖激光器研究領(lǐng)域并獲得了一定的進(jìn)展。2005年，烽火通信科技股份有限公司與上海光機(jī)所合作，成功研制出輸出功率高達(dá)440W的摻鏡雙包層光纖激光器[2],其功率而后被進(jìn)一步提到714W。長(zhǎng)春光機(jī)所也開(kāi)展了高功率雙包層光纖激光器的研究工作，全光纖結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)10.8w1070nm激光輸出?？傮w而言，由于受基礎(chǔ)條件方面的制約，國(guó)內(nèi)光纖激光器研究同國(guó)際水平還有相當(dāng)大的差距。摻鐿雙包層光纖激光器原理內(nèi)包層上一.保護(hù)層外包層閤1雙包層光纖結(jié)構(gòu)示意閤雙包層光纖的結(jié)構(gòu)如圖1所示，由里到外分別為纖芯、內(nèi)包層、外包層和保護(hù)層。它比普通單模光纖增加了一個(gè)內(nèi)包層，其橫截面尺寸和數(shù)值孔徑都遠(yuǎn)大于纖芯。內(nèi)包層與摻稀土離子纖芯之間構(gòu)成單模光波導(dǎo)，將激光限制在纖芯當(dāng)中；同時(shí)它又與外包層構(gòu)成了傳輸抽運(yùn)光的多模光波導(dǎo)，使得抽運(yùn)光在內(nèi)包層中反射并多次穿越纖芯被摻雜離子所吸收，從而將抽運(yùn)光高效地轉(zhuǎn)換為單模激光，極大提高了光-光轉(zhuǎn)換效率。

最初研制出的是圓形內(nèi)包層雙包層光纖，如圖2a所示，它的優(yōu)點(diǎn)是制造工藝簡(jiǎn)單。但是也有嚴(yán)重的缺陷：圓形對(duì)稱(chēng)使內(nèi)包層中有大量抽運(yùn)光以螺旋光的形式存在，這部分光在傳輸過(guò)程中不經(jīng)過(guò)纖芯，因此不能被Yb3+離子吸收降低了抽運(yùn)光的利用效率。為了克服這個(gè)缺陷，國(guó)內(nèi)外研究者相繼提出了多種新型內(nèi)包層形狀的雙包層光纖，譬如偏芯型、方形、矩形、六邊形、梅花形、D形等，如圖2所示。不同內(nèi)包層形狀的光纖具有不同的抽運(yùn)激光轉(zhuǎn)換效率，此外，內(nèi)包層的橫截面積和數(shù)值孔徑也會(huì)影響抽運(yùn)激光耦合效率［3］。摻鐿光纖激光器的基本結(jié)構(gòu)如圖3所示，包括抽運(yùn)源、耦合系統(tǒng)、增益介質(zhì)、諧振腔和準(zhǔn)直系統(tǒng)5個(gè)部分。摻各種稀土元素的雙包層光纖都可構(gòu)成雙包層光纖激光器，由于摻鐿的光纖激光器具有量子效率高、增益帶寬大、無(wú)激發(fā)態(tài)吸收、吸收帶寬以及可以采用波長(zhǎng)在915nm或980nm附近的多模大功率半導(dǎo)體激光器泵浦的特點(diǎn)，尤其適合于高功率器件，因此在雙包層光纖激光器家族中尤顯重要，其單臺(tái)輸出功率已達(dá)300W，多臺(tái)組合后的輸出功率可達(dá)千瓦。罔？不同內(nèi)包煤冊(cè)狀陽(yáng)或包層光纖準(zhǔn)直系統(tǒng)摻鏡光纖準(zhǔn)直系統(tǒng)茸運(yùn)哥 耦合系統(tǒng)諧振腔圖3摻德光纖激光器結(jié)構(gòu)示意圖摻雜在硅基玻璃光纖鐿Yb3+離子的能級(jí)及Spark分裂能級(jí)，與其他稀土離子相比，Yb3+能級(jí)結(jié)構(gòu)十分簡(jiǎn)單，如圖4a所示，與激光躍遷相關(guān)的能級(jí)只有兩個(gè)多重態(tài)能級(jí)2F5/2和2F7/2，當(dāng)Yb3+摻入石英光纖之后，這兩個(gè)能級(jí)將引起的斯塔克效應(yīng)而分裂。在室溫下2F5/2分裂成兩個(gè)可分辨的能級(jí)，2F7/2分裂成三個(gè)可分辨的能級(jí)［4］，如圖所示，因此鐿離子摻雜的光纖具有寬的吸收帶寬和發(fā)射帶寬，從

970到1064nm是吸收和發(fā)射譜重疊部分，鐿離子如此寬的吸收帶可以選擇許多激光器作為泵浦源，具有較高的吸收和轉(zhuǎn)換效率。鐿離子的其它能級(jí)都在紫外區(qū)，由于沒(méi)有高能級(jí)的存在，因此以鐿Yb離子摻雜光纖可以消除多光子弛豫及激發(fā)態(tài)吸收的影響，適合于發(fā)展高功率激光器件。對(duì)鐿離子次能級(jí)分析認(rèn)為，鐿摻雜光纖激光器一般被泵浦到其亞穩(wěn)態(tài)2F5/2多重態(tài)較高的次能級(jí)上，2F5/2能級(jí)壽命在760um。當(dāng)發(fā)射波長(zhǎng)小于990nm時(shí)，其行為是一種真實(shí)的三能級(jí)躍遷系統(tǒng)(躍遷A)，而在較長(zhǎng)的波長(zhǎng)，從lOOOnm到1200nm時(shí)(躍遷B)，其行為更象是一種準(zhǔn)四能級(jí)系統(tǒng)。鐿Yb3+離子摻雜光纖也具有相當(dāng)高的吸收和發(fā)射橫截面積，如圖4b所示為典型鐿離子吸收和發(fā)射截面。摻Y(jié)b3+光纖激光器是1.0-1.2um的通用光源，Yb3+具有相當(dāng)寬的吸收帶(800-1000nm)以及相當(dāng)寬的激發(fā)帶(970-1200nm)，最佳吸收位一■□=?-一J$一「弔5&一■□=?-一J$一「弔5&|nm]閹4肛基撞雜悅㈣高r絵艾圏日耐戦射吸也橫戡面腹附；I于915nm和975nm的半導(dǎo)體激光器輸出波長(zhǎng)，而且沒(méi)有受激態(tài)吸收。摻鐿雙包層光纖激光器的優(yōu)點(diǎn)光纖激光器是一種高效的波長(zhǎng)轉(zhuǎn)換器，由泵浦光波長(zhǎng)轉(zhuǎn)換為所摻稀土離子的激射波長(zhǎng)。因此利用與稀土離子吸收光譜相對(duì)應(yīng)的不同波長(zhǎng)、高功率且廉價(jià)的半導(dǎo)體激光器作為泵浦源，以獲得不同波長(zhǎng)的輸出激光［5］。從其原理可知，它與其它傳統(tǒng)激光器相比，在效率、體積、冷卻和光束質(zhì)量等方面，均占有明顯的優(yōu)勢(shì)，其主要特點(diǎn)如下：(1)效率高，容易實(shí)現(xiàn)高功率輸出。摻鐿雙包層光纖在915nm、940nm特別是975nm帶具有非常高的吸收，而這3個(gè)波段的半導(dǎo)體激光器工藝成熟，因此非常容易選擇到合適的抽運(yùn)源；由于內(nèi)包層的橫截面尺寸和數(shù)值孔徑都較大，可易實(shí)現(xiàn)高耦合效率，從而實(shí)現(xiàn)高功率激光輸出，斜率效率一般在60%以上，電光轉(zhuǎn)換效率大于20%；(2)輸出激光光束質(zhì)量好。因輸出激光光束由光纖纖芯的波導(dǎo)結(jié)構(gòu)決定，不因受熱變形而變化，故其輸出光束質(zhì)量易達(dá)到單橫模激光輸出；(3)散熱特性非常好。雙包層光纖激光系統(tǒng)是采用細(xì)長(zhǎng)的摻雜光纖本身作為增益介質(zhì)，表面積與體積之比很大，散熱性能非常好。對(duì)于連續(xù)輸出110W的光纖激光器，若將光纖盤(pán)繞成環(huán)狀，只需簡(jiǎn)單風(fēng)冷即可；(4)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，體積小，使用方便。雙包層光纖激光器以光纖本身作為增益介質(zhì)，諧振腔是由增益光纖的2個(gè)端面粘貼雙色鏡或增益光纖兩端刻寫(xiě)的光纖布喇格光柵構(gòu)成，腔體結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，并且光纖柔軟幾乎可彎曲盤(pán)繞成任意形狀。抽運(yùn)源采用的是光纖輸出、體積小、模塊化的高功率半導(dǎo)體激光器。因此雙包層光纖激光器具有使用靈活方便的特點(diǎn)。下表是各種激光器的性能對(duì)比［6］，可看出高功率光纖激光器的各項(xiàng)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。激光器類(lèi)型CO2激光器燈泵浦ND:YAG激、【八rw光器半導(dǎo)體泵浦ND:YAG激光器摻Y(jié)b3+雙包層光纖激光器波長(zhǎng)/um10.61.061.061-1.2電光效率/%5-101-35-1012-20功率/KW1-200.5-50.5-100-10光束參數(shù)/mard>10050-8025-501-20石英光纖傳輸否臺(tái)匕冃匕能能維修周期1-2<13-540-50摻鐿雙包層光纖激光器的關(guān)鍵技術(shù)高功率光纖激光器的發(fā)展越來(lái)越成熟，實(shí)現(xiàn)高功率光纖激光器的關(guān)鍵技術(shù)主要有以下幾點(diǎn):包層泵浦技術(shù)：常規(guī)的光纖激光器采用普通的單模光纖做增益介質(zhì)，耦合效率極低，很難得到高功率的光纖激光。包層泵浦技術(shù)的出現(xiàn)，極大提高了泵浦光的耦合效率，包層泵浦技術(shù)是通過(guò)雙包層光纖來(lái)實(shí)現(xiàn)的。計(jì)算結(jié)果表明，同心圓形結(jié)構(gòu)的吸收效率最低，而非圓形的內(nèi)包層結(jié)構(gòu)對(duì)泵浦光的吸收效率很高，理想情況可達(dá)到100%。光纖融合技術(shù)：高功率光纖激光器的另一項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)就是將泵浦源輸出的光功率有效地耦合到增益光纖中去。要獲得高功率的光纖激光，就需要高輸出功率的泵浦源(一般為半導(dǎo)體激光器列陣)，將半導(dǎo)體激光器列陣輸出的幾千瓦的激光耦合進(jìn)入一根雙包層增益光纖是一件很困難的事情，耦合效率將很低。因此采用樹(shù)杈形光纖，將多個(gè)激光二極管輸出的光同時(shí)耦合進(jìn)增益光纖是最好的解決方案，即每個(gè)激光二極管輸出的光由多模光纖導(dǎo)出，采用光纖集合熔接技術(shù)，將多根多模光纖融合成一根光纖，制成光纖模塊。這樣可使單根光纖的輸出能量在百瓦級(jí)，同時(shí)解決了半導(dǎo)體激光列陣集成模塊的散熱問(wèn)題。這樣可以將多個(gè)激光二極管輸出的光幾乎無(wú)損地耦合進(jìn)增益光纖的內(nèi)包層，有效提高泵浦效率。諧振腔的制備技術(shù)：制備合適的光學(xué)諧振腔是高功率光纖激光器實(shí)用化的又一項(xiàng)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，但這種方法給泵浦光的耦合以及光纖激光器的封裝都帶來(lái)很大困難，不利于光纖激光器的實(shí)用化和商品化。另一種是采用光纖光柵做諧振腔。而且光纖光柵是一種低損耗器件，具有非常好的波長(zhǎng)選擇特性，它的采用簡(jiǎn)化了激光器的結(jié)構(gòu)，同時(shí)提高了激光器的信噪比和可靠性、窄化了線(xiàn)寬、提高了光束質(zhì)量，而且，通過(guò)應(yīng)力調(diào)節(jié)可以進(jìn)行波長(zhǎng)調(diào)諧。此外，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，避免用二色鏡和透鏡組提供激光反饋帶來(lái)的損耗，從而降低光纖激光器的閾值，提高輸出激光的斜率效率［7］。摻鐿雙包層光纖激光器的應(yīng)用摻鐿光纖激光器以絕對(duì)的優(yōu)勢(shì)使它在通信行業(yè)、工業(yè)加工、印刷、軍事和醫(yī)療等領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用。主要有以下方面：（1）摻鐿雙包層光纖激光器在光纖通信中的應(yīng)用：由于摻鉺光纖放大器依賴(lài)于單模激光二極管的抽運(yùn)，輸出功率比較小，越來(lái)越難以滿(mǎn)足對(duì)多波長(zhǎng)信號(hào)放大的要求。雙包層摻鐿光纖激光器的出現(xiàn)解決這些問(wèn)題，使光纖放大器可以工作在光通信窗口的任意波長(zhǎng)處，并對(duì)光信號(hào)進(jìn)行在線(xiàn)放大，是長(zhǎng)（超長(zhǎng)）距離通信實(shí)現(xiàn)信號(hào)放大的理想選擇。（2）摻鐿雙包層光纖激光器在激光加工中的應(yīng)用：與傳統(tǒng)高功率激光器相比，摻鐿雙包層光纖激光器的高轉(zhuǎn)換效率、光束參數(shù)好、維護(hù)周期長(zhǎng)、運(yùn)行費(fèi)用低等優(yōu)點(diǎn)在工業(yè)加工中非常有優(yōu)勢(shì)。摻鐿雙包層光纖激光器非常適合作為激光加工設(shè)備的激光光源，目前主要應(yīng)用于激光打標(biāo)、激光微加工（毫米量級(jí)、數(shù)十微米量級(jí)的精度切割、打孔和焊接）、大功率工業(yè)加工（切割、焊接、打孔等）等。結(jié)論摻鐿雙包層光纖激光器在光通信、工業(yè)加工、醫(yī)療等行業(yè)的應(yīng)用才剛剛起步，隨著時(shí)間的推移，它無(wú)與倫比的優(yōu)良性能將越來(lái)越得到認(rèn)可。它的廣泛應(yīng)用對(duì)提升我國(guó)工業(yè)加工水平具有重要的意義?？梢灶A(yù)見(jiàn)，隨著新型器件的產(chǎn)生和諧振腔結(jié)構(gòu)的改進(jìn)，光纖激光器將成為半導(dǎo)體激光器強(qiáng)有力的競(jìng)爭(zhēng)對(duì)手，成為未來(lái)全光網(wǎng)的主要光源[8]。從長(zhǎng)遠(yuǎn)來(lái)看，這種新型的高效率、長(zhǎng)壽