全光纖雷射器

全光纖結構的雷射諧振腔使用全光纖元件，通過光纖熔接的辦法使整個雷射諧振腔形成一個整體。這種結構不僅使光纖雷射器的結構簡單、緊湊、免於維護，而且泵浦光的耦合效率高達 95% 以上，在實際中有重要的套用前景。

基本介紹

• 中文名：全光纖雷射器
• 外文名：all-fiberlaser

1全光纖雷射器的結構

大功率光纖雷射器主要有兩種諧振腔結構：一種是傳統光學諧振腔，使用塊狀光學元件構成空間耦合諧振腔鏡並實現泵浦耦合；另一種是採用全光纖元件的全光纖雷射諧振腔。這兩種結構的光纖雷射器都採用摻稀土離子的光纖為增益介質。

其中，空間耦合結構的諧振腔與傳統固體雷射器諧振腔相同，兩塊鍍膜鏡片起著正反饋、選模和輸出耦合的作用，它們構成雷射諧振腔的反射大功率全光纖雷射器及其關鍵器件技術研究 腔鏡。這種空間耦合的雷射器在實際套用中有較多缺點：（1）環境機械振動和溫度的變化易使空間耦合的諧振腔漂移而無法正常輸出雷射；（2）兩塊諧振腔鏡對環境潔淨度和溫度、濕度等都有較高要求；（3）這種空間耦合的諧振腔難以封裝，不利於光纖雷射器的實用化和商品化；（4）需要二色鏡和透鏡組來完成泵浦光耦合和雷射諧振，這些元件都會產生損耗，增加雷射器閾值，降低雷射轉換的斜率效率。這些缺點使空間耦合的光纖雷射器在實際使用中經常需要專業人員來進行維護，實際使用價值大大降低。

全光纖結構的雷射諧振腔使用全光纖元件，通過光纖熔接的辦法使整個雷射諧振腔形成一個整體。這種結構不僅使光纖雷射器的結構簡單、緊湊、免於維護，而且泵浦光的耦合效率高達 95% 以上，在實際中有重要的套用前景。

2全光纖雷射器的特點

雷射諧振腔由包含摻雜稀土離子的雙包層增益光纖和一對熔接在增益光纖兩端的光纖光柵組成。其中，一個具有高反射率(R>99%)光纖光柵為雷射器的高反射腔鏡，另一個 R≈10%的低反射率光纖光柵構成諧振腔的輸出腔鏡。分別將一個 N×1 型和一個(N+1)×1 型多模泵浦耦合器的輸出端與高、低反射率光纖光柵熔接，並將泵浦輸入光纖與大功率半導體泵浦模組的輸出尾纖熔接在一起，就使大功率泵浦光直接耦合進入雙包層增益光纖。其中，(N+1)×1 型多模泵浦耦合器包含有一根信號雷射輸出光纖，通常會在輸出光纖端面製作端帽以避免被大功率輸出雷射損傷。

與傳統的雷射器相比，全光纖雷射器具有以下優點：

（1）全光纖雷射器結構簡單、體積小巧、重量輕，光纖輸出特點在實際套用更為靈活方便。全光纖結構藉助光纖耦合器，將泵浦源的尾纖與增益光纖熔接為一體，避免了用二色鏡和透鏡組提供雷射反饋帶來的損耗，從而簡化了雷射器的結構，降低了雷射器的閾值，提高了雷射轉換的效率，使雷射器的結構更加緊湊穩定、性價比高，並且可在高衝擊、高震動、高溫度、有灰塵等惡劣的環境下正常運轉。

（2）易於實現較高的轉換效率和高功率輸出。由於雙包層光纖內包層的橫截面尺寸和數值孔徑都比較大，半導體泵浦光在光束整形後，可以高效地耦合進入光纖內包層。因此，通過設計合適的內包層參數和形狀，再選擇發射波長和光纖吸收特性都與增益光纖相匹配的半導體雷射器為泵浦源，可使基於雙包層增益光纖的全光纖雷射器實現高效率、大功率的雷射輸出。

（3）優良的散熱性能。傳統的固體雷射器由於雷射介質的熱效應會使光束質量及效率下降，因而難於實現較高功率的雷射輸出，為此，雷射器在運行過程中需要有效的散熱系統對雷射介質進行冷卻。而增益光纖具有很高的“表面積/體積”比（約為傳統的固體雷射器增益介質的 1000 倍以上），使全光纖雷射系統具有良好的散熱效果，並可在溫度為-20℃~+70℃的環境中工作。

（4）高輸出雷射光束質量。大模場雙包層光纖的纖芯一般有較小的歸一化頻率 V（與纖芯直徑 d 和數值孔徑 NA 有關），是基模和少數高階模傳輸的波導，波導結構不會因受熱而有較大變化。並且，基於大模場雙包層增益光纖的全光纖雷射器一般採用盤繞增益光纖的方法來使高階模有較大的損耗，使雷射器運行在單模輸出狀態。此外，光纖光柵具有較窄的反射譜、較好的波長選擇特性和低損耗特性。使用光纖光柵作全光纖雷射器的諧振腔鏡，使雷射器具有較高的信噪比和較窄的線寬，因而獲得較為理想的光束質量。

（5）可設計雷射器在很寬光譜範圍內（455nm-3500nm）運行，並能實現可調諧輸出。相當多的可調諧參數和選擇性使光纖雷射器能在很寬的光譜範圍內設計和運行，並可實現較寬範圍內的波長調諧，具有很好的單色性和穩定性。

3全光纖雷射器的套用

大功率全光纖雷射器的一系列優點使之在工業加工、材料處理、生物醫學、國防軍工等領域展現出巨大的套用前景。

在通訊領域，光纖雷射器的發展推動了全光通訊網路的發展。隨著信息需求量的迅速增長, 光纖通信傳輸速率已經從每秒幾十兆比特發展到每秒太比特以上，這對光纖雷射放大器提出了越來越高的要求。摻鉺光纖雷射器雖然能夠提供處於兩個低損耗通訊視窗 1.30μm 和 1.55μm 波段的雷射，但摻鉺光纖放大器因為依賴於單模雷射二極體泵浦而使輸出功率比較小，越來越難以滿足對多波長信號放大的要求。喇曼光纖放大器可以工作在光通信視窗的任意波長處, 但喇曼光纖放大器需要單模高亮度的泵浦光。而雙包層摻鐿光纖雷射器使用包層抽運技術將幾個雷射二極體的多模雷射轉變為單模高亮度的泵浦光束，解決了拉曼光纖放大器的泵浦源問題，使喇曼光纖放大器為光信號線上大功率放大成為可能。

在工業加工方面，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、打孔及微加工等造就了大功率雷射器市場最廣闊的套用前景。與機械加工相比，雷射加工具有加工對象廣、非接觸加工、公害小、速度快、可自動控制等優點，因而有“未來製造系統的共同加工手段”之譽。隨著光纖雷射技術的快速發展，光纖雷射器不僅輸出功率迅速提高，而且在電光效率、光束質量、運行成本、壽命等許多方面都表現出明顯的優勢，這使得光纖雷射器已成為目前世界上最受關注的雷射器之一。IPG 的商用化的光纖雷射器連續輸出功率已上升至萬瓦量級，已被套用於工業生產和國防研究之中。2008 年，美國海軍從IPG訂購 8 台 5kW 的光纖雷射器用於軍事研究。同年 7 月，德國購買 IPG 16 台千瓦級連續光纖雷射器，總功率 63kW，用於一條新的車門焊接生產線。工作波長在 1060-1200 nm 的摻鐿大功率光纖雷射器以極高的效率和功率使其在工業加工方面具有代替其它雷射器的巨大套用前景。

在雷射打標領域，光纖雷射器較高的光束質量和定位精度使之取代效率不高的 CO2 雷射器和閃光燈泵浦的 Nd:YAG 脈衝雷射打標系統，用於積體電路和半導體晶片打標系統。此外，光纖雷射器也常用於塑膠和金屬打標。

國防軍事領域需要高功率、光束質量好的雷射器來製作雷射武器。光纖雷射器對工作環境要求低、結構緊湊、輸出臂機動靈活等特點，使之能有效用於飛機、車輛等多種平台，是高能雷射武器最具前景的發展方向。高功率光纖雷射器的光功率密度可達到 MW/cm量級，輸出能量高度集中，足以摧毀任何堅固的目標。大功率光纖雷射器還可作為防禦武器使用，如美國軍方在 2002 年就使用 IPG 生產的 2000 W 光纖雷射器，在阿富汗成功執行掃雷任務。美國在 2010 年的一次秘密軍事試驗中，首次使用艦載大功率光纖雷射器發射強雷射束，在距離約為 2英里遠處擊中時速 300 英里的無人機。

在醫療方面，許多內外科手術中用光纖雷射作手術刀。大功率光纖雷射器用於手術，使組織脫落和光致凝結手術的時間大大縮短。在眼科手術中，連續摻銩光纖雷射器能使角膜成形手術的成功率更高，還可以治療遠視、近視等眼科疾病。由於光纖的柔韌性和光纖雷射器光束質量好，在心血管手術中可使光纖進入人體內排除腫瘤或各種血管淤積物。在整形美容手術中，2μm 波長光纖雷射器在治療皮膚癌和去紋身方面也取得了良好效果。此外，功率為幾瓦的摻銩光纖雷射器能為外科手術提供較大的高能輻射，在顯微外科手術中扮演了重要角色，而且在紅外保健方面也有套用。

大功率光纖雷射器套用於石油礦產領域，在建井和完井作業中發揮出色作用。光纖雷射器通過光纖向井下提供所需要的能量，與常規工業雷射器相比，工作效率更高、光束質量更好、機動性更強，在使用壽命期間基本上不用維修。2003 年，美國天然氣技術研究所(GTI) 使用 5.34 kW 大功率雷射器進行的井下射孔實驗表明，大功率光纖雷射器因具有較高光束質量使其能夠破碎任何岩石，因而在此套用領域體現出其巨大優勢。

雷射的套用被稱為是人類使用工具的第三次飛躍，而光纖雷射技術的成熟使得大功率光纖雷射器從實驗室真正進入大規模工業套用。在能源日益短缺的時代，大功率光纖雷射器較高的電光轉換效率使其可以大幅度減少能耗，在節約資源等方面做出越來越多的貢獻。光纖雷射器已經或正在許多套用領域替代化學、氣體和普通固體雷射器，對雷射器市場產生了革命性的改變，也是未來雷射器發展的必然趨勢，是“雷射產業的新寵兒”，被譽為“第三代雷射器”，具有廣闊的套用大功率全光纖雷射器及其關鍵器件技術研究前景。

4大功率光纖雷射器的研究進展

1961 年，Snitzer 等人使用光纖作為增益介質製成了世界上第一台光纖雷射器。隨後，又採用側面泵浦技術研製成功了 Nd3+摻雜的光纖雷射器，這台光纖雷射器的耦合效率非常低，雷射輸出光束質量也很差。後來，Burrus 和 Stone 使用軸向泵浦技術改善了泵浦耦合效率。1988 年，雙包層光纖以及包層泵浦技術的出現為提高光纖雷射器的輸出功率和轉換效率提供了有效途徑。基於這種包層泵浦技術的光纖雷射器在 1999 年實現了 110W 的單模連續雷射輸出，改變了光纖雷射器只能作為一種小功率光子器件的歷史。

高功率光纖雷射技術取得的進展與大亮度光纖耦合雷射二極體的技術進步緊密相關。一些新型高亮度二極體陣列具有增加的腔長，並與高亮度匹配微光學元件相結合，使單陣列中的多個發光點直接耦合入直徑 100μm 的光纖中。而大於200W 的更高功率的泵浦模組，泵浦光纖的直徑可以增加到 200μm，通過光學疊加和偏振耦合，將 6 至 10 個更多的陣列單元耦合到單根直徑為 200μm、數值孔徑 0.2 的泵浦傳輸光纖中。雷射二極體通過一個較大的銅熱沉散熱，從而可以使用工業用水或高性能半導體製冷器進行冷卻，而不需要使用冷卻微通道疊層所需的去離子水。具有四個雷射二極體陣列的 976nm 光纖耦合模組，能通過 200μm的光纖實現超過 200W 的功率輸出。現在，基於標準商用光纖、組件和 976nm 雷射二極體，實現輸出波長 1μm 的千瓦級全光纖雷射技術已經逐漸成熟。

隨著大模場面積雙包層摻雜光纖製造工藝和高亮度雷射二極體泵浦技術的發展，單模雙包層光纖雷射器的單光纖輸出功率正以驚人的速度提高。Gapontsev 指出，光纖雷射器的輸出功率水平按每年翻番的速度增長。英國 SPI 在 2003 年 8 月製成1kW(波長 1090nm,M2=3)的光纖雷射器。他們於 2004 年 12 月研製成功 1.36kW連續光纖雷射器，該雷射器採用雙端泵浦 12m 長的雙包層光纖(纖芯徑 40μm，NA<0.05)，採用兩個 975nm 波長的 LD 泵浦模組，總泵浦功率為 1.8kW，斜率效率為 83%，輸出雷射波長在 1.1μm，光束質量因子 M2=1.4。他們還預言，通過對摻雜光纖更先進的設計和採用更高功率的泵浦源，單根光纖的輸出功率可高達萬瓦。2009 年 6 月，美國 IPG推出了上萬瓦的單模光纖雷射器產品，多模連續光纖雷射器輸出功率已達 50 kW，電光轉換效率高於 25%。在光纖放大器方面，Nufern 也推出了 kW 量級窄線寬高功率單模光纖放大器系統。

但是，受限於摻雜光纖的非線性效應（如受激拉曼散射和受激布里淵散射）和纖芯的光熱損傷等物理現象，光纖雷射器的單光纖輸出功率最終有限，而且光束質量也會隨輸出功率的提高而變差。為此，常採用雷射器陣列合束的方法來獲得更高雷射輸出功率，以滿足工業加工、空間光通訊、遙感和國防等對大功率雷射的需要。按雷射器陣列單元之間的相位關係，雷射合束技術分為相干和非相干合束兩大類。其中，相干合束技術被認為是獲得高功率、近衍射極限的光束輸出的有效方法。已經有大量的實驗對光纖雷射器的相干合束進行了報導。如 2009 年，美國空軍實驗室的 Shay 等實驗了 5 路百瓦級光纖放大器的相干合成，獲得 725W 功率輸出。然而，光纖雷射陣列獲得的相干合束功率仍沒有突破千瓦量級。

相干合束技術由於要求雷射器陣列元之間嚴格的滿足相位關係而使系統結構複雜，不利於獲得高相干性、高功率的雷射合成輸出，這一點可以從氣體、化學、半導體和固體雷射等各種雷射光束相干合束的實驗中分析得出。例如，美國Northrop Grumman 公布的 JHPSSL 項目於 2009 年通過 7 路 15kW 級固體雷射陣列相干合束獲得 105kW 高功率固體雷射輸出，但是實際的主瓣功率只有約 11.5kW，光束質量並不理想，只取得了部分相干合成的效果。因此，大功率雷射的相干合束其實質上往往只是部分相干合束，對較大功率雷射器陣列的光束合成高光束質量雷射輸出仍有待於突破。

非相干合束技術使雷射器陣列的輸出光束沿同一傳輸軸傳播合為一束, 實現功率的標量疊加。這種技術對各陣元輸出光束的相位沒有限制，只要求雷射陣列的波長處於組束元件的頻譜範圍內。2009 年，美國海軍實驗室 Sprangle 使用自適應的光學反射鏡實現了 4 台光纖雷射非相干合束輸出 3kW 功率。同年，德國的Wirth 也實驗了 4 路 MOPA 結構光子晶體光纖放大器的外腔非相干合束，實現2065W 雷射輸出。與相干合束相比，非相干合束方法結構簡單、系統穩定且易於控制, 近年來逐漸成為光纖雷射領域的研究熱點。