光纖激光器的最新進(jìn)展及未來發(fā)展

　　光纖激光器具有結(jié)構(gòu)緊湊、堅(jiān)固耐用、不易失準(zhǔn)和易于熱管理等優(yōu)點(diǎn)，通常由激光二極管(LD)泵浦，所用光學(xué)元件一般為光纖組件，以光纖熔接的方式耦合。泵浦源可以是單根二極管、一個(gè)陣列或者許多分離的二極管，通過光纖輸出頭和耦合器相連接。摻雜光纖使用光纖內(nèi)部刻寫的光纖布拉格光柵作為腔鏡。

　　雙包層結(jié)構(gòu)

　　光纖激光器中光纖一般為雙包層結(jié)構(gòu)，如圖1所示。未摻雜的內(nèi)包層選擇并傳輸泵浦光。在纖芯中產(chǎn)生受激輻射。通過泵浦，摻雜了稀土元素的纖芯受激產(chǎn)生激光。非圓柱的內(nèi)包層結(jié)構(gòu)有六角形、D型、矩形等，降低了泵浦光不向纖芯傳播的幾率。

　　光纖激光可以端面泵浦或者側(cè)面泵浦，如圖2所示。端面泵浦是一束或多束泵浦光耦合到光纖端面中去。側(cè)面泵浦是泵浦光耦合到光纖的一側(cè)，通過耦合器耦合到光纖的內(nèi)包層中。

　　泵浦耦合的重點(diǎn)在于將泵浦光耦合進(jìn)入內(nèi)包層，使它與光纖的吸收相匹配，進(jìn)入纖芯產(chǎn)生粒子束反轉(zhuǎn)，獲得纖芯內(nèi)的受激輻射。基于光纖內(nèi)的摻雜以及光纖長度，纖芯具有不同的增益。這是設(shè)計(jì)所需要的泵浦結(jié)構(gòu)所需要考慮的問題。

　　單模光纖中會(huì)存在功率限制。單模光纖纖芯具有很小的橫截面積，結(jié)果可以通過高強(qiáng)度光。在高功率密度時(shí)，非線性布里淵散射將變得非常嚴(yán)重，限制kW量級(jí)輸出功率。如果輸出足夠高，那么光纖端面將受到損壞。

　　光纖激光器的特性

　　光纖作為工作介質(zhì)擁有很長的作用長度，有利于二極管泵浦，也使得光子轉(zhuǎn)換效率很高，為緊湊、堅(jiān)固的設(shè)計(jì)提供了條件。當(dāng)光纖器件都熔接到一起，就不會(huì)有分立的器件需要調(diào)節(jié)。

　　有一些特殊結(jié)構(gòu)的光纖激光器。光纖激光器可以實(shí)現(xiàn)單通道放大，其可以同時(shí)放大不同波長光廣泛應(yīng)用于通信領(lǐng)域。光纖放大也用于MOPA結(jié)構(gòu)，目的是產(chǎn)生更高功率的激光輸出。另一個(gè)例子是光纖放大自發(fā)輻射光源。還有一個(gè)例子是拉曼光纖激光器，一些新的研究正使用氟化物玻璃光纖代替?zhèn)鹘y(tǒng)的石英光纖。

　　然而，通常使用石英玻璃來制作光纖。主要的摻雜元素有鐿(Yb)和鉺(Er)。Yb中心波長在1030～1080nm間，能獲得寬波段的激光輸出。Yb沒有像Nd一樣在很高的密度下產(chǎn)生自猝滅效應(yīng)，即使它們能產(chǎn)生相似波段的激光，Nd被用于傳統(tǒng)激光器Yb卻被用于光纖激光器。

　　摻鉺光纖激光器工作波長為1530～1620nm，屬于人眼安全波段?？梢员额l產(chǎn)生780nm的激光，這是不能以其他方式獲得的波段。而且Yb可以與Er一同摻雜，這樣Yb吸收泵浦光并傳輸能量到Er。銩是另外一種摻雜元素能夠產(chǎn)生近紅外波段(1750～2100nm)的激光，也是一種人眼安全材料。

　　高效率

　　光纖激光是準(zhǔn)三能級(jí)系統(tǒng)。光子受激躍遷從基態(tài)到較高能級(jí)，然后光子再躍遷到亞穩(wěn)態(tài)能級(jí)，產(chǎn)生激光。這個(gè)過程十分高效：如使用940nm泵源泵浦摻Y(jié)b光纖，產(chǎn)生1030nm激光的量子數(shù)虧損(損耗能量)僅有9%，如表1所示，而用808nm泵源泵浦Nd離子，量子數(shù)虧損約為24%。Er能在1480或980nm波段被泵浦，后者不是那么高效，但更為實(shí)用。

　　總的來說激光效率由兩個(gè)因素決定。第一是泵源的效率。半導(dǎo)體激光器的電-光轉(zhuǎn)換效率在50%左右，在實(shí)驗(yàn)室可達(dá)到70%或更高。當(dāng)泵浦光和激光的吸收峰匹配良好，那么得到的就是泵浦效率。第二是光-光轉(zhuǎn)換效率。在小光子缺陷、高激發(fā)、高提取效率的情況下，可獲得光-光轉(zhuǎn)換效率60%～70%，此時(shí)電-光效率25%～35%。

　　不同光纖激光器的結(jié)構(gòu)

　　連續(xù)光纖激光器可以是單模也可以是多模的。單模產(chǎn)生的高質(zhì)量光束能夠應(yīng)用在材料領(lǐng)域或大氣傳輸，多模工業(yè)激光則具有高功率。如果應(yīng)用并不需要產(chǎn)生很高的功率密度，那么多模的總功率較高將成為優(yōu)勢，例如對(duì)于切割和焊接的熱處理。

　　長脈沖激光被稱為準(zhǔn)連續(xù)激光器，產(chǎn)生ms量級(jí)的脈沖，占空比為10%。這使得脈沖光具有比連續(xù)光高十倍以上的峰值功率，對(duì)于鉆孔等應(yīng)用來說非常有利。根據(jù)脈寬可將重復(fù)頻率調(diào)制達(dá)500Hz。

　　調(diào)Q光纖激光器脈沖寬度在ns量級(jí)到ms量級(jí)之間，光纖越長，輸出脈沖越寬。由于纖芯橫截面積小，非線性效應(yīng)明顯，限制了峰值功率的提高?？梢酝ㄟ^傳統(tǒng)Q開關(guān)獲得高峰值功率，也可以通過將光纖Q開關(guān)和端面熔接獲得。調(diào)Q脈沖可以在光纖或者固體中放大。例如NIF利用光纖作為192路激光的主振蕩器，光纖激光器產(chǎn)生的小脈沖被大的摻雜玻璃制成的板條放大為mJ量級(jí)。

　　在鎖模光纖激光器中，重頻取決于增益介質(zhì)的長度，脈寬取決于增益帶寬?？梢垣@得的最短脈寬在50fs左右，典型脈寬為100fs。可以通過振蕩器-放大系統(tǒng)和外部的啁啾脈沖放大(CPA)以及脈沖壓縮產(chǎn)生更短的脈沖。

　　具有小纖芯的光子晶體光纖可以得到很強(qiáng)的非線性效應(yīng)，用于超連續(xù)譜的產(chǎn)生等應(yīng)用。也可以拉制成大單模纖芯以避免高功率下的非線性效應(yīng)，用于高功率，并將光纖纏繞可消除高階模?；诜蔷€性效應(yīng)產(chǎn)生諧波，產(chǎn)生更高頻率和更短的波長。也可以使脈沖壓縮，產(chǎn)生頻率梳。

　　在超連續(xù)譜光源中，通過自相位調(diào)制，很短的脈沖能產(chǎn)生很寬的連續(xù)光譜。例如，在Yb光纖激光器中產(chǎn)生的1050nm、脈寬6ps的脈沖，可以獲得從紫外到1600nm的光譜，如圖3所示。另一個(gè)超連續(xù)譜光源工作在紅外領(lǐng)域，由1550nm的摻Er光纖激光器泵浦，所獲得光譜隨著脈沖寬度而改變，可達(dá)2200nm。

　　高功率光纖激光器

　　作為光纖激光器最大的市場，工業(yè)界現(xiàn)在最大的興趣就是自動(dòng)化。使用高強(qiáng)度鋼材生產(chǎn)汽車，如何切割鋼材是一大難題。在鋼材上鉆孔很困難，然而光纖激光器卻可以輕松做到。對(duì)于材料加工，光纖激光器具有其他激光器所不具備的優(yōu)勢。例如金屬對(duì)于光纖激光器的近紅外波長激光吸收良好。光束被光纖傳輸使得機(jī)器手可以輕松移動(dòng)光束的焦點(diǎn)，方便切割和鉆孔。

　　光纖激光器可滿足極端功率需求。美國海軍海上系統(tǒng)司令部去年測試了海軍激光武器系統(tǒng)(LaWS)，該系統(tǒng)擁有六路光纖激光器，每一路都能輸出5.5kW激光，非相干合成到一路光中通過光束定向器輸出，如圖4所示。該33kW系統(tǒng)用于射擊一架無人機(jī)。盡管光束并非單橫模，但由于其由標(biāo)準(zhǔn)且簡單的元件組成，引起了廣泛關(guān)注。

　　由IPG公司得到的單根光纖所能輸出的最高單模功率為10kW。在系統(tǒng)中主振蕩器獲得了千瓦的激光，耦合到由1018nm激光泵浦的放大器中。整個(gè)系統(tǒng)的大小約和兩臺(tái)冰箱一樣。多模的最高輸出也是由IPG公司獲得的，為50kW。該系統(tǒng)基于非相干合成，BPP為10，M2達(dá)到了33。

　　光纖激光在高功率切割和焊接方面也有其他的應(yīng)用，如代替了電阻焊在高速鋼板上的應(yīng)用，解決了電阻焊造成的材料變形的問題。

　　混凝土鉆孔

　　4kW的多模光纖激光器已被用于混凝土切割和鉆孔。為什么要用激光切割混凝土呢?因?yàn)榻ㄔ炜拐鸾ㄖ飼r(shí)，需要謹(jǐn)慎對(duì)待混凝土。傳統(tǒng)的沖擊鉆孔會(huì)使混凝土裂縫并變得脆弱，而光纖激光器卻可以實(shí)現(xiàn)無縫切割。

　　調(diào)Q光纖激光器可用于材料處理，例如激光打標(biāo)或者半導(dǎo)體電子產(chǎn)品的制造。也可用于激光雷達(dá)，一塊手掌大小的模塊，里面就包含了重頻50kHz、峰值功率4kW、脈寬5～15ns的眼安全摻鉺光纖激光器。

　　小功率的光纖激光器在微米或納米級(jí)制造上的應(yīng)用正在引起廣泛關(guān)注。對(duì)于表面燒蝕，如果脈寬小于35ps，將不會(huì)再有材料飛濺、消融，消除切割中切口和其他瑕疵產(chǎn)生。fs領(lǐng)域?qū)ΣㄩL不敏感的非線性效應(yīng)的激光，不會(huì)對(duì)周圍區(qū)域產(chǎn)生熱效應(yīng)，使得材料處理不會(huì)對(duì)周圍區(qū)域產(chǎn)生損壞或削弱，并且可以使孔有很大的縱橫比。

　　也可以對(duì)透明材料進(jìn)行表面加工，例如對(duì)人眼。在LASIK手術(shù)中為了切割角膜基質(zhì)層，fs脈沖聚焦到人眼附近，對(duì)周圍不造成傷害的情況下，在一個(gè)可控深度下?lián)舸┤搜?。角膜基質(zhì)層可以拉起來供準(zhǔn)分子激光切削。超短激光在醫(yī)學(xué)上的其他應(yīng)用包括皮膚學(xué)中的淺穿透、OCT技術(shù)等。

　　fs光纖激光在科學(xué)研究中的應(yīng)用包括激光誘導(dǎo)擊穿光譜、時(shí)間分辨熒光光譜以及材料研究。也用于產(chǎn)生fs頻率梳。近期頻率梳的應(yīng)用是在未來一代GPS衛(wèi)星上使用的原子鐘，使其對(duì)地面上的位置分辨率更精確。

　　單頻光纖激光器可達(dá)到線寬小于1kHz，該設(shè)備非常小，輸出光在摻鉺光纖輸出帶，輸出功率在10mW到1W之間。它可用于通信、計(jì)量學(xué)(如光纖陀螺)和光譜學(xué)。

　　光纖激光的未來

　　和其他研究一樣，光纖激光器仍有很多內(nèi)容需要繼續(xù)研究。例如用相干合成或光譜合成的辦法，合成光纖激光成為高光束質(zhì)量的單光束。光纖激光器在工業(yè)應(yīng)用上正在迅速發(fā)展，特別是在自動(dòng)化領(lǐng)域。透過價(jià)格和性能這些改進(jìn)來看，更實(shí)用的飛秒和超連續(xù)譜源會(huì)出現(xiàn)。光纖激光器正在推進(jìn)超越自身的市場，已經(jīng)進(jìn)軍其他市場，它也是推進(jìn)其他激光器變得更好的動(dòng)力。