調Q光纖雷射器

調Q雷射器是實現高能量雷射脈衝的有效手段,通過在雷射器腔內對腔損耗進行調製,來調節雷射器的Q值。

基本介紹

• 中文名：調Q光纖雷射器
• 外文名：Q-switchedlaber laser

1 調Q光纖雷射器

雷射器發明不久,人們就於1962年實現了調Q雷射器。調Q雷射器是實現高能量雷射脈衝的有效手段,通過在雷射器腔內對腔損耗進行調製,來調節雷射器的Q值。在每個周期的大部分時間內使腔維持在高損耗,在雷射器工作物質上下能級反轉粒子數累積到一定值時,突然降低腔內損耗,從而腔內迅速建立雷射振盪,並輸出一高能量脈衝,直接輸出的脈衝能量達到mJ,脈寬在數納秒到百納秒之間。調Q光纖雷射器根據調Q方式可以分為兩類,主動式調Q和被動式調Q。主動調Q需要在腔內使用電光開關或聲光開關來控制腔內Q值。被動調Q需要在腔內插入可飽和吸收體,例如使用了Co:ZnS晶體或者Cr:YAG晶體等做可飽和吸收體,如圖1.n所示,但調Q用可飽和吸收體的激發態弛豫時間需要比腔內脈衝往返一次的時間長,也可以使用未泵浦的摻稀土離子光纖或半導體可飽和吸收體。1986年,LP. Alcock首次報導了調Q光纖雷射器,利用聲光調製器作為調Q元件,在摻Nd光纖雷射器中實現了峰值功率8.8w的輸出。隨後R.J.Mear也報導了類似結構的摻Er光纖調Q雷射器,此後由於調Q光纖雷射器兼具調Q雷射器和光纖雷射器的優點,在分散式感測、雷射測距、時域反射測量、生物醫療等領域有著廣泛的套用,所以引起了人們的廣泛興趣和深入研究。近年來,通過使用大模場增益光纖,脈衝能量可以達到數個mJ配合使用MoPA結構,脈衝能量則可以超過數十個mJ,峰值功率超過ZMW。此外,光纖中的受激布里淵散射效應(sBS)被發現也可以作為等效可飽和吸收體實現被動調Q,優點是可以得到峰值功率更高的、持續時間更短的Q脈衝,並且結構簡單,可實現全光纖結構,但目前待解決的問題是由於SBS的隨機性導致脈衝穩定性不理想。

2 調 Q 光纖雷射器的研究意義

高功率光纖雷射器分為連續光纖雷射器和脈衝光纖雷射器。雷射器在連續工作方式下，光纖承受的功率密度會隨著輸出功率和能量的提高而不斷增大，導致非線性效應(受激喇曼散射和受激布里淵散射等)、光纖端面損傷等問題的產生，從而限制了平均功率的進一步提高。相比之下，脈衝光纖雷射器可以在小的脈衝能量下獲得較高的平均功率，即具有更高的靶面密度和光束質量，使加工速率提高 100 多倍。因此，脈衝光纖雷射器更適合工業加工的需求，是高功率光纖雷射器的發展趨勢。

實現脈衝光纖雷射器的技術途徑主要有調 Q 技術、鎖模技術和種子源主振盪功率放大(MOPA)技術。鎖模技術可以實現 fs 量級的脈衝輸出，且脈衝的峰值功率較高，一般在 MW 量級，但是其輸出的脈衝平均功率較低；MOPA 技術可以獲得高能量、高功率的脈衝輸出，但一般需要在種子源雷射器的基礎上進行多級放大；調 Q 技術是一種獲得高能量短脈衝的有效方法，在調 Q 過程中，增益介質在存儲到足夠多的能量之前，整個雷射器諧振腔保持較高的腔損耗，隨後腔損耗迅速降低至一個很小的值，使腔記憶體儲的能量以雷射輻射的形式瞬間釋放，形成窄脈衝輸出。

調 Q 光纖雷射器可以獲得脈寬為 ns 量級、峰值功率為 kW 量級、脈衝能量為 mJ 量級的脈衝雷射。雖然與可以獲得焦耳級脈衝能量的固體雷射器相比較小，但是較窄的脈衝寬度和較高的峰值功率使其在許多領域具有獨特的套用價值，特別是在打標和精密加工領域。因此，研究高功率調 Q 光纖雷射器具有重要的實際意義。

3 調 Q 光纖雷射器的國內外發展現狀

20 世紀 80 年代中期，隨著稀土摻雜光纖的出現，最初的調 Q 技術是在晶體和玻璃光纖雷射器中實現的。如最初研究的調 Q 摻 Nd、摻 Er 光纖雷射器，隨後摻 Yb、摻 Pr 和摻 Tm 光纖雷射器也被人們研究。隨著光纖光柵的發展，光纖雷射器結構變得越來越緊湊，同時實現了全光纖化調 Q 光纖雷射器。

調 Q 光纖雷射器的國外發展現狀

國外主要研究單位有：墨西哥國家研究所、德國阿貝光子學中心(耶拿大學)、美國 NP 光電有限公司、美國亞利桑那大學、土耳其比爾肯大學、俄羅斯科學院物理研究所、西班牙瓦倫西亞大學、馬來西亞大學、印度理工大學、韓國首爾大學、挪威科技大學、加拿大瑞爾森大學等。其中，英國 SPI、德國 IPHT、美國密西根大學和 IPG 公司的研究水平最突出。

由於各種不同增益光纖和腔結構的採用，很多文獻中報導了不同的實驗現象，並提出了相應的解釋。1986 年，Mears 等人發表了關於摻鉺光纖雷射器的調Q 實驗，獲得的脈衝波長為 1550nm，脈衝寬度為 30ns，在 800Hz 重複頻率下脈衝的峰值功率為 120W。

Myslinski 等人通過使用一段 0.6m 摻鉺光纖，一個 250mW 波長為 514nm 的泵浦源，以及一個聲光調製器構成了一個線形腔結構的調 Q 雷射器，獲得了脈衝寬度 8ns，1kHz 重頻下峰值功率為 230W 的 1550nm 調 Q 脈衝。

2012 年，墨西哥 A.Gonzalez-Garcia 等人搭建了 Er/Yb 共摻聲光調 Q 光纖雷射器系統。以二向色鏡和光纖干涉環做雷射器諧振腔。獲得了 1549nm 脈衝雷射，重複頻率 45kHz-120kHz 範圍內可調，最小脈衝寬度為 34ns，平均功率為 4W，光-光轉換效率為 50%。

2013 年，英國阿斯頓大學 D.saez-Rodriguez 等人在摻鉺光纖雷射器中插入腔內損耗調製器，通過控制在包層模中傳輸功率的動態衰減產生脈衝。該動態衰減通過一個壓電式感測器的側向壓力產生。最後在 0-2kHz 重頻內，獲得峰值功率為 4kW，脈衝寬度為 80ns 的光脈衝。

然而，靠單純的調 Q 技術無法獲得更高功率、能量的脈衝，市場上主要的納秒脈衝光纖雷射器系統都是採用基於主振盪功率放大(MOPA)的方法。MOPA結構中種子源性能的好壞決定了最終輸出的脈衝光束質量的優劣，所以它的優點在於種子源選取的靈活性，可以選擇輸出特性良好的種子源實現高品質的脈衝雷射輸出，並通過不同纖芯尺寸的增益光纖進行多級放大，實現高功率輸出的同時解決了光纖中的熱損傷和非線性效應問題。

2012 年，土耳其 I.Pavlov 等人報導了一個全光纖單模 1550nmMOPA 系統。系統中種子源採用全光纖調 Q 雷射器，其脈衝寬度為 15ns。輸出種子脈衝雷射通過鉺鐿共摻雙包層光纖進行三級放大，最終獲得的脈衝能量為 0.2mJ，脈衝寬度為 10ns，峰值功率為 20kW，平均功率大於 10W。該峰值功率是 1550nm 波長單模脈衝光纖雷射系統的最高水平。

同年，美國 NP 光電有限公司搭建了基於 MOPA 結構的摻銩調 Q 脈衝光纖雷射器系統。其摻銩調 Q 種子源雷射器中採用壓電換能器(PZT)為調 Q 元件，獲得波長為 2um 的脈衝輸出。其脈衝能量為 0.95mJ，脈衝寬度為 15ns，峰值功率大於 63kW。 美國亞利桑那大學在 2012 年，使用電光調製器直接調製連續單頻光纖雷射 器，使用摻鉺光纖做預防大，單模偏振保偏高濃度摻雜的鉺鐿共摻大芯光纖做主放大級增益介質。最終實現的脈衝參數為：1550nm、0.38mJ、3ns、128kW、10kHz。

實驗室領域裡，2012 年德國阿貝光子學中心得到的脈衝能量為目前最高水平。實驗系統的兩級放大光纖採用大孔徑光子晶體光纖，且種子光源採用聲光調 Q 結構，其中的增益光纖也為大孔徑光子晶體光纖。實現了重複頻率 5kHz下，平均功率 140W，脈衝寬度 60ns，脈衝能量 26mJ 的脈衝輸出，其光束質量優於 1.3。

商業領域裡，基於 MOPA 結構的調 Q 光纖放大系統的最高紀錄由美國 IPG公司保持。脈衝重複頻率 50kHz 時，平均功率為 500W，脈衝能量大於 10mJ，脈衝寬度為 100ns。

調 Q 光纖雷射器的國內發展現狀

國內只有少數單位在這方面進行研究，主要研究單位有：北京工業大學、天津大學、國防科技大學、浙江大學、清華大學、上光所等。其中以國防科技大學、天津大學、上光所的研究工作最為突出。

2009 年，浙江大學報導了基於 MOPA 結構的全光纖線偏振單模摻鐿脈衝光纖雷射器。以光纖型聲光調 Q 雷射器作為種子源，雙包層偏振保偏光纖為增益介質，最終獲得的脈衝平均功率為30W，脈衝寬度為30ns，光束質量2M 1.36。

2011 年，北京固體雷射技術重點實驗室實現了全光纖結構的 MOPA 型摻鐿光纖雷射器。系統中採用聲光調 Q 方案搭建種子雷射器，利用雙包層摻鐿光纖進行兩級放大，最終獲得平均功率 102.5W、脈衝寬度 240ns 的脈衝輸出。

2012 年，國防科技大學利用聲光調 Q 技術設計並搭建了聲光調 Q 脈衝光纖雷射器，輸出脈衝雷射的脈衝寬度為 86ns，平均功率可達 84mW，單脈衝能量為 0.84mJ，峰值功率為 10kW。同年，利用上述聲光調 Q 雷射器作為種子源，進一步搭建了主振盪功率放大系統，最終獲得了平均功率 62W、脈衝能量 6.2mJ、脈寬 157ns、峰值功率 37.1kW 的光脈衝。其光-光轉換效率為 61.3%，2M 3.1。

國防科技大學在高功率脈衝光纖雷射器的實驗研究方面一直處於國內較高水平。2014 年，在主振盪功率放大脈衝雷射系統方面再創佳績。其種子源採用在 1064nm 連續光纖雷射器外部進行電光強度調製(EOIM)的方法，並採用大模場面積摻鐿光纖進行兩級放大。實現脈衝寬度約 3ns，平均功率 913W，峰值功率為 28.6kW 的脈衝雷射。首次實現了千瓦級窄線寬納秒脈衝光纖雷射器。

2013 年，天津大學採用聲光調 Q 結構做種子源並結合 MOPA 結構，所有增 益光纖都採用雙包層摻鐿光纖，最終實現平均功率大於 230W、峰值功率 1.64kW、脈衝寬度為 1.4us 的脈衝輸出,其光-光轉換效率為 72.81%，光束質量2M 1.5。

綜上，多採用 MOPA 結構的調 Q 光纖雷射器實現高功率納秒級脈衝輸出，輸出單脈衝能量較高、平均輸出功率較大。其作為種子源的調 Q 光纖雷射器多採用聲光調 Q 技術。與其他調 Q 技術相比，聲光調 Q 技術最為穩定。

4 調 Q 光纖雷射器的特點

針對未來的工業加工設備，特別要求實用化、高可靠性的脈衝光纖雷射器要具有以下四方面特點：

1、高的平均輸出光功率。隨著全球製造業的新一輪產業升級以及智慧型手機、平板電腦、LED、觸控螢幕等娛樂和顯示設備的飛速發展，全球市場對雷射器尤其是脈衝光纖雷射器的需求增長很快，近三年累計增長了 26.25%，並且隨著現代企業對產品質量和生產效率的要求不斷提高，具有高平均輸出功率的脈衝光纖雷射器的需求也就越來越大。

2、窄的脈衝寬度。現代工業的不斷發展和工業產品加工精度的不斷提高，要求脈衝光纖雷射器不但要有高的平均輸出功率，還要具備窄的脈衝寬度的特點。否則加工過程中會存在熱影響區域大、微孔表面存在熔渣和再鑄層、加工邊緣有大量毛刺和殘渣、微裂紋等問題，嚴重影響雷射加工的精度和效率，進一步影響企業產品的精密度和複雜度，最終將制約整個產業鏈升級的進程。

3、好的光束質量2M 。在雷射加工中，影響雷射熱加工的因素很多，對於雷射束，主要是光束能量分布、聚焦焦點大小、光功率密度等參數。其中光束質量是最重要的參數之一，它是評價脈衝光纖雷射器加工能力的重要參數。光束質 量直接決定了雷射加工的精度，只有好的光束質量的雷射束才適用於微細精密加工。因此，好的光束質量對於脈衝光纖雷射器乃至雷射加工都是必要並且重要的。

4、低的非線性效應閾值和光學損傷。脈衝放大後所得到雷射脈衝峰值功率及單脈衝能量都非常高，隨著峰值功率的提高，光纖中光的功率密度很高，當其值達到一定程度時，就會產生非線性效應，如受激布里淵散射或者受激拉曼散射等。嚴重限制放大器的平均功率放大水平，並影響脈衝的光束質量。同時，必須考慮由於高功率引發的嚴重光學損傷問題，光纖端面的損傷限制了高功率光纖雷射器的長期穩定工作。因此，為得到具有高能量的脈衝，必須對雷射器內非線性效應和光學損傷進行合理的控制。

綜上，在未來的雷射加工中，要求脈衝光纖雷射器不僅要有高的平均輸出光 功率、窄的脈衝寬度、高的重複頻率，還必須具備好的光束質量。

5 調 Q 光纖雷射器的套用

調 Q 光纖雷射器由於具有光束質量好、亮度高、效率高、波長可選、易於集成等優點，近年來在許多領域引起了人們的廣泛關注。如工業、通信、醫學、軍事等領域。

工業領域

工業加工領域使用的光纖雷射器主要有連續和脈衝兩種類型。連續光纖雷射器可以提供高達千瓦級的平均功率，常用於具有一定厚度的陶瓷、金屬等材料的均勻切割和焊接等，但其主要缺點是雷射的靶面密度較低，加工粗糙。而脈衝型光纖雷射器可以獲得高重複頻率、高峰值功率的脈衝，與連續光纖雷射器相比，調 Q 脈衝光纖雷射器具有許多獨特的優勢：1、熱畸變小，毛刺少，邊緣光滑，可以避免微裂紋及碎屑產生；2、峰值功率高，脈寬小，可以提高加工精度和加工質量，實現微細加工；3、使金屬深度加工成為可能，且可以實現可視性較好的打標等。

光通信領域

20 世紀 60 年代，隨著微波技術的成熟，具有更高頻率的光波通信技術的發展成為必然。光波分復用(OWDM)、光時分復用(OTDM)等技術的出現使光纖通信得到迅速發展。特別地，摻鉺光纖放大器(EDFA)以及一些光無源器件的實用化使密集波分復用(DWDM)成為了可能，大大增加了傳輸容量，實現了高功率、長距離傳輸。 微波和電纜通信的載波是電波，相比之下，光波的頻率較高，比較適合作寬頻信號的載頻，而對於傳輸介質，光纖比電纜的損耗要低得多。因此，以光波為載波的光纖通信具有許多獨特的優點：

1、頻帶寬，傳輸容量大。理論上單根單模光纖的可利用頻寬可達 20THz，而在一根光纜中可以容納成百上千的光纖，再加上波分復用(WDM)、頻分復用(FDM)等技術，可以大大增加光纖傳輸系統的容量。

2、損耗低，中繼距離長。銅纜的損耗特性不僅與本身結構參數有關，還與傳輸信號的頻率有關；而光纜的損耗特性僅與本身介質參數有關。因此，提高光纜的製作工藝可以大大降低損耗，增大中繼距離。目前 1550nm 通信波長的光纖損耗最低，為 0.2dB/km。

3、具有抗電磁干擾能力。光導纖維是由SiO₂ 材料製成，它是一種絕緣材料，不受任何電磁場的干擾。即使在雷電天氣甚至是核輻射的環境中，也可以實現正常的信號傳輸。

4、安全，重量輕。由於玻璃材料不易導電，安裝時較安全，且與金屬電纜材料相比，重量輕，便於安裝。

5、通信質量高，保密性好。

6、節約有色金屬。