納秒脈衝光纖雷射器

納秒脈衝光纖雷射器，已經被廣泛的套用於雷射加工、雷射測距儀、二次諧波的產生、軍事等領域。

基本介紹

• 中文名：納秒脈衝光纖雷射器

1 納秒脈衝光纖雷射器概述

自從 1961 年，美國光學公司的 Snitzer 和 Koester 報導了世界上第一台光纖雷射器以來，由於光纖雷射器具有光束質量高、成本低、轉換效率高、穩定性好、體積小、兼容性強、壽命長、散熱快等優點而備受關注。尤其是高功率的納秒脈衝光纖雷射器，已經被廣泛的套用於雷射加工、雷射測距儀、二次諧波的產生、軍事等領域。因此，高功率納秒脈衝光纖雷射器的研發和實用化技術已成為雷射技術領域的一個熱點。

由於納秒脈衝光纖雷射器具有如下優點：(1)光束質量高。光纖的纖芯直徑在幾個微米的量級，能大大的提高雷射器的光束質量，從而滿足工業加工的高質量需求。(2)散熱好。光纖雷射器的體積很小，無需龐大的水冷系統，高功率運轉時也只需要風冷。(3)體積小。光纖具有良好的柔性，使得雷射器可以設計得相當小巧、結構緊湊、易於集成，並且在高衝擊、強震動、高溫度、大灰塵等相對惡劣的環境中也能工作。(4)良好的光譜特性。通過改變不同摻雜的增益光纖和與之相匹配的光纖元器件，可以實現不同波長的雷射輸出。因此，研究納秒脈衝光纖雷射器已成為當今的趨勢。

在光纖雷射器中，主要通過調 Q 技術實現納秒脈衝，調 Q 方式分為主動調 Q 和被動調 Q 兩種。主動調 Q 技術主要是在腔內插入電光開關或聲光開關調製腔內的 Q 值來產生短高強的雷射脈衝，產生的脈衝寬度從幾十納秒到幾百納秒。被動調 Q 技術主要是採用可飽和吸收體(半導體材料或者摻稀土的晶體薄片)進行調 Q。與主動調 Q 相比，被動調 Q 具有成本低廉、結構緊湊、峰值功率高、脈衝寬度窄等優點，因此採用被動調 Q 技術得到的窄脈寬、高重頻、高功率光纖雷射器具有重要的實際意義。

2 納秒脈衝光纖雷射器的套用

納秒脈衝光纖雷射器有許多優點：光纖可盤繞，雷射器具有更小的體積；不需要複雜的水冷設備，散熱性能好；只需限制纖芯的尺寸就可獲得非常好的光束質量；轉化效率高；雷射器諧振腔簡單，具有高的穩定性等。隨著光纖雷射器的輸出功率不斷攀高，高功率脈衝光纖雷射器的套用前景一片光明。因此高功率納秒脈衝光纖雷射器在雷射加工、光時域反射計(OTDR)、產生二次諧波、軍事等領域有廣泛的套用。

(1)雷射加工領域：

雷射加工具有加工對象廣、變形小、精度高、公害小、節省能源、遠距離加工、自動化加工等顯著優點，對提高產品質量和勞動生產率、實現加工過程自動化、消除污染、減少材料消耗等起著越來越重要的作用。因為 lμm左右波長的雷射很容易被金屬、塑膠和陶瓷材料吸收，因此將波長 1μm 左右的窄脈衝雷射束聚焦到介質上，利用雷射束與物質相互作用的過程來改變物質的性質，可以對多種材料進行雷射加工。

與傳統的 CO2和 YAG 雷射器相比，光纖雷射器輸出的雷射模式非常好，聚焦後的光斑具有直徑小、圓度高、能量穩定和輪廓規則清晰等特點，同時由於光纖雷射器的重複頻率比傳統雷射器高很多，在對深度、光滑度、精細度要求較高的領域有著不可替代的優勢。因此 1μm 波段的納秒脈衝光纖雷射器在雷射產品定標、精密切割、雷射雕刻、雷射焊接、精密打孔、雷射檢測、微彎曲、雷射測量等領域有著重要的套用。 例如在材料加工方面，已有多家公司開發出商用高功率摻鐿光纖雷射器，工作波長在 1060～1100nm，該種光纖雷射器的優點是：無機械或光學準直，全光纖結構，較高的光束質量，極大的傳輸功率密度，靈活的光纖傳送器件，全部空氣冷卻，整機小巧，系統緊湊等。許多公司已紛紛採用這項新型摻鐿光纖雷射器系統進行工業加工。

(2)雷射測距儀：

雷射測距儀是利用雷射單色性高、相干性好、方向性強等特點，來實現高精度的計量和檢測，如測量長度、距離、速度、角度等。

現在廣泛使用的手持式和攜帶型測距儀的工作原理與雷達測距相似：測距儀向目標發射雷射脈衝信號，碰到目標就要被反射回來，由於光的傳播速度是已知的，所以只要記錄下光信號的往返時間，用光速乘以往返時間的二分之一，就是所要測量的距離。

(3)產生二次諧波：

高能量納秒脈衝摻鐿光纖雷射器輸出的雷射打在非線性晶體上，可以產生二次諧波(倍頻光)或者三次諧波(三倍頻光)，從而產生可見光譜甚至紫外光譜區的雷射脈衝，從而拓展了雷射器的套用領域。Yanming Huo 等報導的採用40nm 波長調諧範圍的調 Q 摻鐿光纖雷射器與高非線性 KTP 晶體結合產生二次諧波，調 Q 光纖雷射器增益介質採用纖芯直徑 7μm 的摻 Yb3+光纖，輸出 脈衝重複頻率 5kHz、脈衝能量 0.26-0.35mJ，實驗的基頻波長 l083nm，產生的二次諧波單脈衝能量為 17μJ，轉換效率 7%。

(4)軍事領域：

高功率、高質量雷射武器一直是軍事領域防禦和進攻武器所研究的重點，高功率光纖雷射器以其高亮度、小照射面積、小體積等優點和性能越來越受到重視，並有取代目前看好的化學武器和生物武器的趨勢。高功率光纖雷射器的輸出能量高度集中，光功率密度可達到 MW/cm2，足以摧毀任何堅固的目標。它以每秒 30 萬公里的速度在空中傳播，瞄準目標時不需計算提前量，且射擊時後坐力很小，可隨意變換射擊方向，精確打擊目標的要害地位。目前，美國、日本等國的科學家都在致力於千瓦級雷射武器的研製工作。 綜上所知，高功率納秒脈衝光纖雷射器的套用領域非常寬泛，因此它的研究具有深遠的現實意義，已成為當今國內外的研究熱點。

3 納秒脈衝光纖雷射器的國內外研究現狀

光纖雷射器按雷射輸出特性可分為連續光纖雷射器和脈衝光纖雷射器兩種。其中脈衝光纖雷射器根據其脈衝形成原理又可分為調 Q 光纖雷射器(脈衝寬度為 ns 量級)和鎖模光纖雷射器(脈衝寬度為 ps 或 fs 量級)。

國外開展調 Q 光纖雷射器研究的單位主要有英國 Southampton 大學、美國 Illinois 大學、台灣國立大學、美國 IPG 公司、德國 JENOPTIK 公司等。國內開展調 Q 光纖雷射器研究的單位主要有南開大學、天津大學、電子科技大學、上海光機所、西安光機所、北京工業大學等。 近幾年典型的研究成果如下：

2000 年 9 月，台灣國立大學的 Ding-wei Huang 和 C.C.Yang 等人採用光纖輸出的聲光調製衰減器作為 Q 開關，在中心波長 1550.5nm 波段，獲得了重複頻率 5kHz，脈衝寬度 150ns，平均輸出功率 15mW，單脈衝能量 3μJ 的調 Q光脈衝輸出，該雷射器採用全光纖結構，聲光調製衰減器由 FBG 和波長選擇器組成，其中 FBG 作為諧振腔的腔鏡，另外他們構想，如果選用更加匹配的尺寸和更合適的位置，用聲光減震器進行調 Q，可能得到更高的消光比及更快的調製速度。

2001 年，英國 Southampton 大學的 C.C.Renaud 等採用 LMA 光纖作增益介質，採用聲光調製器(AOM)調 Q，獲得了重複頻率 500Hz，單脈衝能量 2.3mJ的脈衝輸出。同年，CLEO 會議上他們又採用雙端泵浦大芯徑摻 Yb3+雙包層光纖(纖芯/內包層直徑 60/300μm)，並在摻 Yb3+光纖端面熔接一段 3mm 長空心光纖的方法，減小了光纖端面損傷，並把光束質量 M2提高到 7。得到脈衝寬度 250ns，重複頻率 500Hz，單脈衝能量 7.7mJ 的高能量脈衝輸出，但他們的不足是：採用空間鏡組，分離的元器件，系統不緊湊，容易受到外界干擾。

2002 年 6 月，德國 JENOPTIK 的 Limpert 等人報導了採用MOPA 技術獲得 100W 高功率高脈衝能量納秒脈衝光纖放大器的方法。用調Q 的 Nd:YAG 薄片雷射器作為種子源，用內包層為 D 型的 LMA 光纖作為放大增益介質，種子源輸出的雷射經過隔離器耦合進增益光纖，增益光纖的另一端是 976nm 中心波長的泵浦源，泵浦光經過分光鏡進入增益光纖，分光鏡的另一端輸出雷射。在 1064nm 處實現了最大平均功率 100W 的雷射輸出，光-光轉換效率 71%，當重複頻率為 50kHz 時，單脈衝能量 2mJ，脈衝寬度 90ns，當重複頻率為 3kHz 時，單脈衝能量 4mJ，脈寬縮窄到 50ns，該實驗的種子源為固體雷射器，外加光纖放大器進行放大。該公司還將研製 1kW 的光纖雷射器，來滿足更多領域的套用。

2003 年 1 月，安徽科技大學的王安廷、邢美術等人利用光纖 Mach-Zehnder干涉儀實現了全光纖化調 Q 雷射器，得到中心波長 1526.30nm，峰值功率3.4W、平均輸出功率 1.8mW、重複頻率 800Hz、脈寬 0.6μs 的雷射脈衝輸出。雷射器腔形採用環形結構，但不足是得到的脈衝串不是很穩定，且脈寬較寬。

2004 年 8 月，美國 Illinois 大學的 Peter D.Dragic 採用環形腔和種子光注入的方式，用 AOM 進行聲光調 Q，產生中心波長 1546nm，重複頻率 500Hz、脈寬 1.85μs，單脈衝能量 1.2μJ 的光脈衝輸出。他們得到了脈衝串比較穩定的結果，但從單脈衝圖可以看出，雷射器內有很強的非線性效應。

2004 年 4 月，G.Ravet 和 P. Me´gret 等人報導了用瑞利反饋實現被動調 Q的全光纖拉曼雷射器，在泵浦功率 2.4W、全腔長 10km 的條件下，獲得了中心波長 1550nm、峰值功率 1kW、脈寬 1ns 的巨脈衝輸出。但它沒有穩定的脈衝序列，產生的巨脈衝很容易把其它元器件打壞，系統很不穩定。 2004 年 7 月，D.Sabourdy 和 A. Barthe´le´my 等人採用調 Q 光纖雷射器相干合成方式，在中心波長 1530nm 處獲得了脈寬 650ns，重複頻率 10kHz，平均輸出功率 17.6mW 的雷射脈衝輸出。調 Q 光纖雷射器同樣採用 AOM 聲光調製器進行主動調 Q，採用了 Mach-Zehnder 干涉儀原理，兩路脈衝雷射干涉輸出，合成後的輸出功率是單個調 Q 輸出脈衝功率的 1.7 倍。本實驗的特色是把兩個調 Q 雷射器的輸出雷射經過干涉併合成一束，此種合束的新方法為高功率單模脈衝雷射器帶來了新的思路。

2004 年 7 月，A.Piper 和 D.J. Richardson 等人報導了高功率，高強度的毫焦量級調 Q 摻鐿光纖雷射器。同時採用 975nm 和 915nm 的兩個管子進行泵浦，用 40μm 大芯徑的摻 Yb3+LMA 光纖做增益介質，通過 AOM 聲光調 Q，獲得了中心波長 1075nm，重複頻率 10kHz、脈衝寬度 40ns、單脈衝能量 1.2mJ的脈衝輸出，光束質量 M2高達 1.1。

2005 年，K.Vysniauskas 和 M. N. Zervas 等人報導了 MOPA 結構的高脈衝能量調 Q 光纖雷射器，在中心波長約 l070nm 處獲得了重複頻率 l0kHz，脈衝寬度約 40-50ns，單脈衝能量 1.lmJ 的雷射脈衝輸出，實驗採用種子光加一級放大的結構，種子光中同樣採用 AOM 進行聲光調製，採用小於 3m 的摻Yb3+GTwave spool 作為增益介質，放大器中選用 5m 長的摻 Yb3+GTwave spool作為增益介質，但實驗中都是用鏡子把泵浦光耦合進增益光纖，由於空間元器件較多，系統不太穩定。

2005 年 2 月，美國密西根州立大學的 Ming-Yuan Cheng 和 Almantas Galvanauskas 等人報導了在 200μm 纖芯多模摻鐿光纖放大器中，用控制光束質量的方法實現高能量高峰值功率的納秒脈衝輸出。種子光也通過 AOM 聲光調製實現穩定脈衝串，經多級放大，實現了高脈衝能量低重複頻率的光纖雷射輸出，重複頻率小於 100Hz。中心波長 1064nm，脈寬 500ns 時的單脈衝能量高達 82mJ，脈寬 50ns 時的單脈衝能量為 27mJ，脈寬 4ns 時的單脈衝能量為 9.6mJ，峰值功率 2.4MW。通過最佳化光纖的盤繞，可以把光束質量從 25提高到 6.5，相應的傳播橫模的數量從≥200 縮減到≤20 個。 2006 年，法國 Limoges 大學的 D.Sabourdy 和 A Barthélemy 等人報導了採用微機電鏡進行調 Q 的光纖雷射器。微機電鏡(cro-electro-mechanicalmirmr)的原理是結合了微光學(micro-optics)和微機電系統，摻 Er3+光纖作為增益光纖，重複頻率從20kHz到120kHz可調，泵浦功率100mW時，獲得了最窄脈寬320ns，輸出功率約為 30mW 的雷射脈衝輸出。該系統結構簡單，系統穩定，設計也很新穎，但是脈衝較寬，這將在以後的雷射器最佳化中予以改進。

2007 年 1 月，深圳大學的郭春雨等人，利用摻 Yb3+LMA 雙包層光子晶體，光纖和聲光調製器(AOM)研製了調 Q 光子晶體光纖雷射器。在 65kHz 的重複頻率下，得到了最大平均功率 2.5w，脈衝寬度 120ns，峰值功率 320W，單脈衝能量 38.5μJ，中心波長 1038.4nm 的調 Q 單模雷射脈衝。本實驗的特色採用光子晶體作為增益介質，由於光子晶體光纖其獨特的波導結構，在具備大模場面積的同時，可維持高質量的單模雷射，但實驗中產生多脈衝現象，這是因為本實驗 Q 開關的斷開時間較長造成的，因為在聲光 Q 開關中，電子開關時間不是主要的，斷開時間主要由聲波通過光束的渡越時間決定。

2008 年，新加坡南洋理工大學的 X.P.Cheng 和 J. Zhang 等人，報導了採用切趾光柵和 π/2 相移光柵共同作用的全光纖摻 Er3+調 Q 環形雷射器。該實驗在輸出功率 72mW，波長 1480nm 的泵浦功率和壓電陶瓷(PZT)調製頻率l0kHz 時，獲得了脈衝寬度 1μs、單脈衝能量 0.11μJ 的雷射脈衝輸出，在 PZT調製頻率 20kHz 時，獲得了脈衝寬度 1.5μs、但脈衝能量 0.05μJ 的雷射脈衝輸出。同年，X.P.Cheng 等人又報導了採用切趾光柵和兩個惆啾光柵組成的 FP標準具共同作用的全光纖摻 Er3+調 Q 環形光纖雷射器。在 PZT 的調製頻率為3.5kHz 時，得到了重複頻率分別為 3.5kHz、7kHz、14kHz 的調 Q 脈衝輸出，脈衝寬度分別為lμs、0.8μs、1.5μs，單脈衝能量分別為0.35μJ、0.17μJ、0.08μJ。他們也同樣採用全光纖結構的環形腔，採用壓電陶瓷的主動調 Q 方式，但得到的脈衝寬度稍微有點寬。