脈衝光纖雷射器

在脈衝光纖雷射器方面，光纖雷射器實現脈衝輸出的方式與普通的雷射器一樣主要採用鎖模技術、調Q技術和脈衝種子源放大技術。

基本介紹

• 中文名：脈衝光纖雷射器
• 外文名：pulsefiber laser

1概述

光纖雷射器是採用光纖作為雷射介質的雷射器，通過在光纖基質材料中摻雜不同的稀土離子，獲得所對應波長的雷射輸出。摻雜的離子種類有摻鉺（Er）、摻釹（Nd）、摻鐠（Pr）、摻鈥（Ho）、摻鐿（Yb）、摻銩（Tm）等。

光纖雷射器(Fiber Laser)是指採用摻稀土元素光纖作為增益介質,由栗浦源所產生的泉浦光在光纖纖芯內形成高功率密度使得摻雜稀土離子能級形成“粒子數反轉”,適當加入正反饋迴路構成諧振腔時便可產生雷射。光纖雷射器的果浦光被稱合進入摻雜稀土金屬離子光纖,粟浦波長上的光子被介質吸收形成粒子數反轉,最後在光纖介質中因受激福射產生雷射。由於摻雜稀土光纖同時起著導波作用因此光纖雷射器是波導型的諧振裝置。光纖雷射器實際上是Fabry-Perot諧振腔(F-P)結構式的波長轉換器,在栗浦波長上的光子被增益介質吸收形成粒子數反轉,最後在增益介質中因受激發射產生雷射。

光纖雷射器誕生於20世紀60年代初，已經有五十多年的發展史。隨著光纖通信技術、光纖製造工藝以及與雷射器技術的日趨成熟而迅猛發展，特別是20世紀90年代後期，隨著半導體雷射器及摻雜光纖製作技術的日益成熟，光纖雷射器的研究取得了重大進展，輸出功率、波長調諧範圍等性能得到了顯著提高，適用於各種不同套用領域的光纖雷射器紛紛面世。

典型光纖雷射器工作原理

典型光纖雷射器的基本結構主要由三部分組成：產生光子的增益介質、使光子得到反饋並在增益介質中進行諧振放大的光學諧振腔和激發增益介質的泵浦源。其中，增益介質為摻雜稀土離子的纖芯。

在脈衝光纖雷射器方面，光纖雷射器實現脈衝輸出的方式與普通的雷射器一樣主要採用鎖模技術、調Q技術和脈衝種子源放大技術。

調Q光纖雷射器是在諧振腔內插入Q開關器件，通過周期性改變腔損耗，實現調Q脈衝雷射輸出。南安普頓大學採用纖芯直徑40 μm、數值孔徑0.06的大模場面積摻鐿光纖調Q，獲得了脈衝能量1.2 mJ的窄脈衝寬度（37 ns）、高光束質量（M2=1.1）脈衝雷射輸出。由於光纖雷射器中較長的增益介質，很難獲得更窄的脈衝寬度雷射輸出。

為了獲得高峰值功率、高能量的脈衝雷射輸出，主要是利用主振盪功率放大技術（MOPA）來實現。2005年，密西根大學採用調製的半導體雷射器作為脈衝種子光源，通過四級光纖放大，實現1 064 nm的巨脈衝能量輸出。兩級單模光纖預放大後，雷射的單脈衝能量由10~30 nJ放大到約38 μJ。再經過一級功率放大（LD功率40 W、波長980 nm抽運的纖芯直徑50 μm雙包層光纖）和二級功率放大（LD功率200W、波長915 nm 抽運的纖芯直徑200 μm 雙包層光纖），實現了巨脈衝能量的雷射輸出：當脈寬500 ns時，得到的單脈衝能量達82 mJ；脈寬50 ns時的單脈衝能量為27 mJ；脈寬4 ns時的脈衝峰值功率為2.4MW。

2005年，F D Teodoro利用雙包層摻鐿的光子晶體光纖作為脈衝放大的增益光纖，實現了脈衝寬度450 ps、脈衝能量0.7 mJ，峰值功率1.5 MW、近衍射極限（M2=1.05）的脈衝雷射輸出。接著，他們又利用纖芯直徑140 μm的多模鐿纖放大該輸出雷射，實現了4.5 MW的高能量脈衝雷射輸出。

2008年，F Di Teodoro等人利用大芯的摻鉺光纖，在超短的皮秒脈衝範圍內，已經實現了峰值功率1.2MW的脈衝雷射輸出[10]。2005年，南安普頓大學的研究員，在纖芯直徑43 μm，數值孔徑0.09的雙包層摻雜光纖實現了脈衝寬度20 ps、光束質量M2=2.4、平均功率321 W的脈衝雷射輸出。

2009年Bülend ortac等用大模場面積的摻Yb光纖製作得到自啟動的平均功率9W的飛秒脈衝輸出，重複頻率9.7 MHz，脈衝能量927 nJ，接近微焦量級。

2009 年Alexey Andrianov 等通過摻鉺光纖放大器和色散降低光纖（DDF）、高非線性單模光纖（HN⁃SF）和普通單模光纖（SMF-28）對被動鎖模的摻鉺振盪器輸出的230 fs，600 MHz，波長為1.57 μm的脈衝進行放大和壓縮，並得到20~25 fs，調諧範圍為1.57~2.1 μm的飛秒雷射輸出。

2010年J. Lhermite等用摻Yb光纖作增益介質，利用非線性偏振技術在全正色散域鎖模獲得了中心波長在976 nm，重複頻率為40.6 MHz，平均功率為480 mW的雷射脈衝，經過腔外體光柵壓縮後可獲得286 fs的超短脈衝輸出。

2010年K. Kieu等用摻Er光纖雷射器產生脈衝後，經摻鉺光纖放大展寬後，再由SMF28光纖對脈衝進行壓縮進入高非線性光纖（HNLF）後獲得超連續譜（1~2μm）抽運摻Yb光纖並放大後獲得高能量的超短脈衝輸出，經過腔外體光柵壓縮後可獲得135 fs和11.5 W平均功率的超短脈衝輸出。

2011年S.Hädrich等研究了通過兩級放大獲得高平均輸出功率的摻Yb光纖雷射器，並用BBO晶體對輸出飛秒脈衝進行了倍頻輸出。該系統在中心波長1 040 nm時有不同的重複頻率，系統經過二級預放和一級主放獲得足夠能量的脈衝，經光柵對壓縮後得到406 fs，平均功率225 W的脈衝輸出。

2011年J. Lhermite等又利用纖芯和包層直徑分別為80 μm和200 μm的摻鐿棒狀光纖作為增益介質產生了中心波長為976 nm，單脈衝能量為500 nJ，脈衝寬度為460 fs，重複頻率8.4 MHz，平均功率4.2 W的超短脈衝輸出。

2011年美國密西根大學的Bai Nie等設計了一種雙包層摻鐿全正常色散飛秒光纖雷射器，該雷射器具有一個窄的內腔式濾光器，產生的脈衝能量22 nJ，重複頻率42.5 MHz，通過多光子脈間干涉相位掃描技術將脈衝壓縮到42 fs，單脈衝能量10 nJ。

2011年康奈爾大學的研究人員使用正常色散鎖模銩光纖雷射器產生0.4 nJ的脈衝能量，輸出脈衝經過消除啁啾後為470 fs。2012年Frithjof Haxsen等使用高非線性光纖和摻Tm光纖，並通過非線性偏振演化（NEP）和半導體可飽和吸收鏡混合鎖模以及小芯徑、大數值孔徑光纖進行色散補償，得到單脈衝能量0.7 nJ，波長1 927 nm，482 fs的飛秒雷射脈衝輸出。

2012 年A.Chamorovskiy 等得到中心波長為1160 nm的半導體碟片雷射器抽運的被動鎖模飛秒光纖雷射器。在波長2 085 nm處產生了890 fs，功率46mW的脈衝輸出，該波長是目前飛秒光纖雷射器最長的輸出波長。

2 脈衝光纖雷射器分類

調Q光纖雷射器

調 Q 的原理是在雷射器內加入一個損耗可調節器件，在大部分時間區域內，雷射器的損耗很大，幾乎無光輸出，在某一個極短的時間內，減小器件的損耗，從而使雷射器輸出一個強度極高的短脈衝。可以通過主動或者被動方式實現調 Q光纖雷射器。主動技術一般是在腔內加入一個強度調製器，來控制雷射器的損耗。被動技術是利用飽和吸收體或者其它非線性效應例如受激拉曼散射、受激布里淵散射等形成調 Q 機制。一般通過調 Q 方法產生的脈衝在納秒量級。若想產生更短的脈衝則可以通過鎖模方法實現。

鎖模光纖雷射器

可以通過主動鎖模或者被動鎖模方法來產生超短脈衝。受限於調製器的回響時間，主動鎖模產生的脈寬較寬一般為皮秒量級；被動鎖模利用的是被動鎖模器件，回響時間很短，可以產生飛秒量級的脈衝。下面簡單介紹一下鎖模原理。 一個雷射諧振腔裡面有著無數個縱模，對於環形腔來說，縱模頻率間隔等於/CC L ，C 為光速，CL 為信號光在腔內往返一周的光程長度。一般來說光纖雷射器的增益頻寬較大，會有大量的縱模同時運轉，雷射器所能容納的模式總數取決於縱模間隔 ∆ν 和增益介質的增益頻寬。縱模間隔越小，介質的增益頻寬越大，則能支持的縱模數越多。反之，則越少。

對於光纖雷射器來說，輸出光場的特性取決於縱模的相位特性。如果所有模式相互獨立，其相位間沒有確定的關係，雷射器的輸出特性是多縱模振盪；如果所有模式有確定的位相關係，則輸出的雷射信號是超度脈衝，且峰值功率較大。

當雷射器處於多縱模振盪時，雷射頻譜是由等間隔縱模構成，振幅是無規則的，相位在 −π 到 +π 之間隨機分布；在時域內，其相位也是在一定範圍內無規則起伏，導致強度分布類似噪聲。當用回響時間為 T 的器件探測此雷射器的光強時，接收到的光強 I (t )是所有滿足雷射器振盪條件的所有縱模光強的疊加。

由於各縱模之間相位彼此相互獨立無特定的位相關係，所以各縱模之間的相干項在時間平均下為零，輸出光強是各個縱模平均輸出光強之和，不會出現相干脈衝輸出，此即為多模自由振盪雷射器。

與多模自由振盪雷射器相反，如果能採取合適的措施，使相互獨立的縱模在相位上存在一定的關係，即使得相鄰縱模的位相差為一常數，則雷射器的輸出特性將大為不同，將會輸出脈寬極窄、高峰值功率的脈衝。

脈衝之間的光強接近於 0。也可以通過頻譜分析儀觀察鎖模脈衝序列，如果雷射器鎖模後，則頻譜儀會出現一系列穩定的等間距的尖峰，間距就是腔內的縱模間隔。如果雷射器是自由振盪，則頻譜儀上的信號是一些列不穩定無規則的尖峰。

展寬脈衝光纖雷射器

由於孤子雷射器的功率低，脈寬較寬且有克利邊帶，要輸出更高功率，更短的脈衝，一個方法就是引入展寬脈衝光纖雷射器，也叫色散管理孤子光纖雷射器，其基本原理就是在雷射諧振腔中引進正負色散兩種光纖進行色散管理，這樣諧振腔中的脈衝來回振盪的時候被周期性地展寬壓縮，減少了一個周期內累積的非線性相移，可以提高雷射器輸出的單脈衝能量，用這種方法可以產生納焦的飛秒脈衝。同時由於腔內色散是變化的，克利邊帶將無法產生，得到底座小的高質量脈衝（剩下的底座是高階色散引起）。要用這種結構產生增益頻寬極限的脈衝，腔內和腔外的色散均需要最佳化。

3展望

隨著光纖雷射器的快速發展，其套用範圍越來越高，目前主要的市場套用為工業材料加工領域。

首台10 kW的單模輸出的光纖雷射器，其總體效率超過25%；光纖雷射器產品的多模輸出功率已經達到數萬瓦；超快脈衝雷射的峰值功率已經接近1 GW；德國弗勞恩霍夫技術研究所研製出平均400 W的飛秒雷射器；英國巴斯大學實現了400~2 400 nm的超連續光譜光源，輸出功率大於10 W等，都極大地推動了光纖雷射器在套用領域的發展。

隨著光通信網路及相關領域技術的飛速發展，光纖雷射器技術正在不斷向廣度和深度方面推進。相關技術的進步，特別是以光纖光柵、濾波器和光纖技術等為基礎的新型光纖器件等的陸續面世，將為光纖雷射器的設計提供新的思路和方法。儘管目前多數類型的光纖雷射器仍處於實驗室研製階段，但已經在實驗室中充分顯示出了優越性。

光纖雷射的工業套用，已經從低功率（百瓦級）的打標、雕刻向更高功率（千瓦級到萬瓦級）的金屬和陶瓷的切割、焊接等方面發展。在汽車和造船等行業中，結構緊湊、使用方便的高功率光纖雷射器具有巨大的市場潛力。可以預見，光纖雷射器必將在未來的光通信、軍事、工業加工、醫療、光信息處理、全色顯示和雷射印刷等領域中發揮重要作用。