光子晶體光纖雷射器

由於光子晶體光纖獨特的結構特點，其作為增益介質，較普通光纖有以下幾個顯著的特點。首先，光子晶體光纖具有可以靈活設計的模場特性，能改變傳導模式和有源介質之間的相互作用，可以製造適用於不同要求的雷射器。

基本介紹

• 中文名：光子晶體光纖雷射器
• 外文名：PhotonicsCrystal Fiber Laser, PCFL

1光子晶體光纖雷射器

光纖雷射器作為一門新穎的科學技術具有集成度高、可調諧以及熱管理性能好等眾多優點，廣泛套用於光纖通信、工業製造、醫療器械和軍事國防等科學領域。近年來，隨著對光纖雷射器性能要求的不斷提高以及光子晶體光纖技術的快速發展，光子晶體光纖雷射器（Photonics Crystal Fiber Laser, PCFL）以其獨特的結構特性優勢逐步成為光纖雷射技術領域研究的熱點。

光纖雷射器的發展概況

光纖雷射器主要採用摻雜稀土元素的光纖作為增益介質，其結構與固體 光器結構基本相同。光纖雷射器主要由泵浦源、耦合系統、摻雜稀土元素的增益光纖和諧振腔等部分構成：其中，泵浦源一般採用半導體雷射器；耦合系統由準直聚焦透鏡組成；諧振腔由反射鏡或者光柵構成；增益光纖放置在兩個具有不同反射率的腔鏡之間，泵浦端的反射鏡 1 具有較高的反射率，而雷射輸出端的反射鏡 2 的反射率較低。其工作原理是泵浦光首先經過耦合系統耦合進入摻雜稀土離子的增益光纖；然後，摻雜纖芯中的稀土離子吸收泵浦光子能量發生能級躍遷，當實現“粒子數反轉”後，高能態的粒子經弛豫後會從激發態以輻射形式躍遷回到基態，同時將能量以光子形式釋放；最後，當滿足一定的腔鏡反饋與模式選擇條件時，會形成穩定的能量振盪，並通過反射鏡以雷射形式輸出。2004年，C. H. Lin等人報導了利用纖芯直徑為20μm的慘Yb3+雙包層光纖獲得了810W單模雷射輸出；同年， Y. Jeong 等人報導實現了 1.36kW的連續雷射輸出，雷射輸出波長 1.1μm，斜效率達到 83%；2006 年，J. X. Chen等人報導了不同溫度下摻鐿光纖雷射器的雷射輸出特性研究；2008 年，S. P. Yin 等人通過級聯多級光纖放大器結構，利用7個25W的二極體雷射器泵浦三段摻鐿光纖獲得300.7W的雷射輸出，光-光轉換效率為 65%；同年，Sergey Kobtsev 等人利用 3.8km 的摻鐿光纖獲得了 3.9μJ 的雷射輸出脈衝能量。2009 年，V. Filippov 等人報導了採用了錐形雙包層光纖結構作為高功率光纖雷射器的增益介質，獲得超過 600W 的雷射輸出，光束質量因子 M2小於 1.1。

2光纖雷射器的套用

隨著半導體雷射技術、光纖光柵刻制工藝的以及耦合技術的不斷提 高，光纖激器技術已經逐步發展成熟，並不斷向新的研究領域延伸拓展，廣泛套用於光纖通信、工業工、醫療設備及軍事國防等領域：

（1）通訊領域

摻鉺光纖雷射器能夠提供位於光通訊低損耗視窗上的 1.30μm 和 1.55μm 波段的雷射，因此發展迅速並在通訊領域中廣泛套用。其中，以 Er/Yb 共摻雙包層光纖雷射器為核心組件的拉曼光纖放大器（EDFA）不僅可以工作在光通信視窗的任意波長處，而且能為長距離以及超長距離的通信提供光信號放大，推動了通訊領域向全光網路的快速發展。此外，大功率光纖雷射器還可以用於光孤子通訊和空間通訊領域，用以實現遠距離、無差錯通信。

（2）工業加工領域

雷射加工是利用雷射與物質相互作用的特性對材料進行切割、焊接、表面處理及微加工的實用化工業技術，具有套用對象廣、速度快、非接觸以及自動化可控制等優點。光纖雷射器，尤其是輸出波長在 1060~1200nm 範圍的摻鐿光纖雷射器具有極高的轉換效率和輸出功率，在工業加工方面的套用尤為突出，已經逐步取代傳統的固體雷射器，成為雷射加工領域中的主力軍。目前，國際上已經將光纖雷射技術廣泛用於汽車製造業、造船業以及飛機製造業，主要進行焊接、切割和打孔等工藝操作。此外，光纖雷射器具有光束質量高和可以精度定位的優良特性，還廣泛用於焊口切槽、打彎、準直等微加工領域。

（3）軍事領域

高功率光纖雷射器具有體積小、亮度高、準直性好和照射面積小等優點，一直是軍事領域研究的重點。高功率光纖雷射器的光功率密度可以達到兆瓦量級每平方厘米，能夠在不需要計算提前量的情形下以光速對任意目標進行精確打擊，而且射擊後坐力很小。目前，美國和日本等國的科學家都在致力於千瓦量級雷射武器的研製工作，美國軍方已經使用本土 IPG 生產的 2000W 多模光纖雷射器，成功在阿富汗惡劣環境下執行了掃雷任務。

（4）醫療領域

光纖雷射器作為一種新型醫療器械已經在許多內外科手術中得到針對性的套用，而且逐漸獲得醫學工作者的認可。在眼科手術中，摻雜銩離子的高功率光纖雷射器能夠有效提高角膜成形手術的成功率，並可以用於治療近視和遠視等眼科疾病。在心血管手術中，利用光纖的柔韌性，光纖雷射器可以進入人體內部，利用其高質量的雷射光束準確清除腫瘤及各種淤積物。在整形美容手術中，2μm 波長的光纖雷射器可以用於治療皮膚疾病、除斑、去除紋身等，並能夠進行疏通血管、燒灼和縫合等微型手術。此外，在內外科手術中，高功率光纖雷射器的套用還可以大大縮短組織脫落和光致凝結的時間。

3光子晶體光纖雷射器與放大器

由於光子晶體光纖獨特的結構特點，其作為增益介質，較普通光纖有以下幾個顯著的特點。首先，光子晶體光纖具有可以靈活設計的模場特性，能改變傳導模式和有源介質之間的相互作用，可以製造適用於不同要求的雷射器。例如，採用小的模式面積光纖的雷射器由於具有更好的限光能力，而具有低閾值；而採用大模式面積 PCF 可以套用於高功率的情況。其次，由於光子晶體光纖的纖芯與包層的折射率差是由空氣孔的分布情況決定的，使得纖芯和包層可以做到很高的折射率對比度。這樣在一定的光纖孔徑下，高數值孔徑使光纖能夠接受更多的泵浦光，便於泵浦光耦合和吸收。特別是光子晶體光纖與包層泵浦技術結合的雙包層光子晶體光纖，由於可以具有更大的模場面積和更大的內包層數值孔徑，從而避免由於高功率和放大自發輻射所產生的非線性效應和效率降低，並提高泵浦光的耦合效率，為高光束質量、高功率光纖雷射器的進一步提高提供了條件。 其他套用還包括參量放大與波長轉換、光開關、感測器、方向耦合器等。

4摻鐿光子晶體光纖雷射器

雙包層光纖雷射器近些年發展迅速，輸出功率已經達到千瓦量級。但是，單根光纖的雷射輸出功率不可能無限提高，它還受到自身各方面因素的限制，如熱效應、非線性效應（如受激拉曼散射、受激布里淵散射），以及光纖端面損傷等。一方面，提高非線性效應閾值是實現高功率雷射輸出的必要條件之一，而光纖中非線性效應的閾值與光纖的模場面積大小成正比，模場面積越大，非線性效應的閾值也就越高，然而對於傳統的單模雙包層光纖而言，纖芯直徑最大只能達到 30-50μm，而且纖芯直徑增大的同時會導致多橫模競爭，影響雷射輸出的光束質量。另一方面，光纖端面的損傷閾值也直接影響光纖雷射器的功率提高，通常純石英的雷射損傷閾值在脈衝雷射下可達 5W/μm，但對於摻雜稀土元素的石英基質光纖來說，摻雜導致光纖材質的純度和均勻性降低，使光纖端面的雷射損傷閾值也相應降低，因此，對於纖芯直徑為 6μm-10μm 的普通單模雙包層光纖來說，其最大輸出雷射功率只能達到百瓦量級。此外，普通雙包層光纖的內外包層的折射率差較小，內包層的數值孔徑一般小於 0.5，不利於提高泵浦光的泵浦耦合效率。

稀土摻雜雙包層光子晶體光纖的提出突破了傳統單模光纖的結構限制，為進一步提高光纖雷射器的光束質量及輸出功率提供了硬體條件。一方面，PCF可以通過減小空氣孔直徑和增大空氣孔間距獲得更大的模場面積，並且內包層空氣孔的周期結構有利於實現纖芯區域極小的數值孔徑，便於實現單模大模場面積，有效提高非線性閾值。另一方面，PCF 單模纖芯的直徑可以達到100μm，通過較高的摻雜濃度，能夠在保證光纖對泵浦光充分吸收的同時有效降低纖芯負載的功率密度，減少熱效應的同時提高了端面損傷閾值。此外，外包層的空氣填充率的提高可以進一步增大外包層和內包層之間的折射率差，進而增大光纖內包層的數值孔徑，有利於提高泵浦效率，實現高效大功率泵浦。

2001 年，英國南安普頓大學 K. Frusawa等人首次報導了具有包層泵浦結構的摻鐿雙包層光子晶體光纖雷射器，PCF 內包層數值孔徑大於 0.5，能夠在實現更大的模場面積的同時保證雷射單模傳輸，為提高雷射器輸出功率和光束質量指明了方向。2003 年，W. J. Wadsworth 等人報導了採用摻鐿偏心包層泵浦結構的大模場面積光子晶體光纖雷射器，諧振腔結構採用雙程後向線性腔，實驗獲得了 3.9W 的單橫模雷射輸出，斜效率 30%。同年，Crystal Fiber A/S 與德國 Jena 大學報導了輸出功率 80W 的 PCF 雷射器，最高輸出功率可以達到1.2kW。2005 年，德國 Jena 大學採用纖芯直徑為 31μm，長度為 30m 的單根 雙包層光子晶體光纖將雷射器輸出功率提高到 1.53kW。2006 年 3 月，該大學 J. Limpert 等人報導了一種新型的大模式面積棒狀 PCF雷射器，實驗所用 PCF的纖芯直徑為 60μm、長 0.58m，當泵浦功率為 425W 時，實驗獲得了 320W 的連續單橫模雷射輸出，斜效率達到 78%。2008 年 3 月，德國 Jena 大學與丹麥Crystal Fiber A/S合作，採用一種Yb3+摻雜的棒狀PCF作為光纖增益介質，實驗獲得 163W的單模雷射輸出，基模模場面積高達 2300μm。同年，Crystal Fiber A/S推出了型號為AeroLASE-350的商用高功率光子晶體光纖雷射器，輸出功率可以達到350W，光子晶體光纖雷射器實現了產品化。2010年，A. M. R. Pinto 等人]利用高雙折射光子晶體光纖室溫下實現了多波長的拉曼雷射輸出。2011 年，Marko Laurila 等人利用單模大模場摻鐿光子晶體光纖實現了110W 的雷射輸出，並獲得了 1mJ 脈衝能量的二次諧波輸出。

國內有關摻鐿光子晶體光纖雷射器的研究起步較晚，主要集中在中低功率的研究。2004 年，深圳大學的阮雙深等人採用典型的 F-P 腔結構，利用972nm 波長的多模大功率半導體雷射器抽運長 20m，內外包層直徑分別為 200μm和 380μm 的摻 Yb3+雙包層光子晶體光纖，獲得了 2.2W 的 1.09μm 雷射輸出。隨後該小組又報導了利用光纖端面 4% Fresnel 反射作為輸出端反饋，獲得了功率為 15W的 1.1μm雷射輸出。2005 年，南開大學的張煒等人報導實現了輸出功率 4.26W、輸出波長為 1068.7nm 的摻 Yb3+雙包層光子晶體光纖雷射器，轉換效率為 44.1%。2008 年，河北大學和南開大學蘇紅新等人報導了基於閃耀光柵的光子晶體光纖雷射器，光纖纖芯直徑 23μm，內包層直徑 420μm，可調諧範圍1035-1111nm，雷射最大輸出功率3.45W。2009年1月，西安光機所王建明等人報導了利用雙端泵浦技術，在泵浦功率為 560W 時，獲得了功率為428.5W 的雷射輸出，斜效率約為 76.5%。同年 10 月，西安光機所楊林等人利用波長為 915nm和 976nm的半導體雷射器雙端泵浦長 23m的摻 Yb3+雙包層光子晶體光纖，實驗獲得了中心波長為 1078nm 的 552W 的連續單模雷射輸出，斜效率約為 76%，光束質量平方因子為 1.2。2011 年，H. W. Chen 等人利用 40米的光子晶體光纖實現了輸出功率為 7W 的超連續譜輸出，譜寬達到 1100nm。