國內(nèi)窄線寬光纖激光器取得新突破

光纖激光器由于抽運閾值功率低、轉(zhuǎn)換效率高、散熱好、可調(diào)諧范圍寬、耦合效率高(與現(xiàn)有光纖通信系統(tǒng)和光纖傳感系統(tǒng)完全兼容)、結(jié)構(gòu)緊湊等優(yōu)點，成為當前激光領(lǐng)域研究的焦點。根據(jù)美國著名激光行業(yè)期刊《Laser Focus World》的預(yù)測，光纖激光器的需求將按每年20%以上的速度遞增，到2020年光纖激光器將占整個激光器市場份額的50%以上。據(jù)統(tǒng)計，2008年全世界激光產(chǎn)品的銷售額已經(jīng)突破100億美元，預(yù)計未來5年有幾百億甚至上千億美元的光纖激光產(chǎn)品的市場現(xiàn)實需求及難以估計的市場需求潛力。光纖激光器在經(jīng)濟建設(shè)和國防軍事發(fā)展等方面將逐步占據(jù)主導(dǎo)地位。

圖1 基于頻率調(diào)制和光波相干原理的探測

在光纖激光器中，具有極窄輸出線寬的單頻光纖激光器是激光器發(fā)展的重要方向之一。單縱模窄線寬光纖激光器是指激光以腔內(nèi)振動單一縱模的形式輸出，其特征是激光光譜線寬非常狹窄，最高可達到10-8 nm，比現(xiàn)有窄線寬DFB激光器的線寬還要窄兩個數(shù)量級，比目前光通信網(wǎng)絡(luò)中DWDM信號光源的線寬要窄5～6個數(shù)量級。窄線寬單縱模光纖激光器可以保證激光具有極好的相干特性，其相干長度可達數(shù)百公里。窄線寬光纖激光器可望在超高精度和超遠距離激光測距、光纖傳感及光纖通信領(lǐng)域具有極其廣泛的應(yīng)用前景：

(1)目前大多數(shù)激光測距儀是基于脈沖激光的光時域反射原理，即通過測量激光脈沖發(fā)射和經(jīng)目標反射回接收器的時間差進行測距，這種測量的精度一般為1-10米，測量距離(軍用)僅有10-20公里。這主要受限于激光的脈沖寬度，激光脈沖越短，測量精度就越高，但同時激光線寬也大大增加，增大了探測的噪聲，迅速降低了動態(tài)探測距離。如果利用單縱模光纖激光器作為探測光源，基于頻率調(diào)制連續(xù)波技術(shù)和光波相干原理，則能實現(xiàn)幾百公里、精度小于1米的探測。

(2)對于光纖傳感，同樣可以利用頻率調(diào)制連續(xù)波技術(shù)和光波相干原理，實現(xiàn)超高精度、超遠距離以及微弱信號的測量。如圖1所示，單縱模窄線寬光纖激光的一部分被耦合進一個有固定反射率的參考臂中，該參考臂充當本地振蕩器(LO)，另一根光纖充當傳感光纖。從傳感光纖反射回來的激光與來自本地振蕩器的參考光一起混頻產(chǎn)生一個光拍頻，該拍頻與它經(jīng)歷的時間延遲差相對應(yīng)，傳感光纖上遠處的信息就可以通過測量拍頻來獲取。利用這種技術(shù)進行探測，可實現(xiàn)敏感度-100dB(百億分之一)的信號測量?；趩慰v模窄線寬光纖激光器的光纖傳感技術(shù)，可廣泛應(yīng)用于石油天然氣管道的泄漏監(jiān)測(全球現(xiàn)有500萬公里石油天然氣管道，目前依靠人工巡邏的方式進行監(jiān)測)、電力系統(tǒng)的輸電損耗監(jiān)測(由于當前的高壓線路缺乏精確的溫度壓力探測，每年損失電能上千億美元)、核電站的安全監(jiān)測(未來主要能源之一)、油井的溫度和壓力實時監(jiān)控等。

(3)另外，在光纖通信中，目前商用光源的激光線寬為0.2 nm(20 dB)，盡管DWDM技術(shù)的應(yīng)用大大提高了信息傳輸?shù)男诺罃?shù)，但由于信號光源激光線寬的限制，其在C波段也僅有80信道。為了適應(yīng)當前和未來社會對于海量信息傳輸和處理的要求，需要不斷拓展光纖的帶寬(如，當前世界各國正在研究的超寬帶(S+C+L)光傳輸技術(shù))。利用單縱模窄線寬光纖激光器作為通信光源，為我們解決該問題提供了另一種技術(shù)途徑。單縱模窄線寬光纖激光的線寬僅為目前商用通信光源線寬的十萬分之一，這可以大大減少信道的寬度和信道之間的間距，僅在C波段就可以將光纖通信的信道數(shù)提高幾個數(shù)量級，此外，該激光器極窄的線寬減小了傳輸過程中光纖的色散，更有利于遠距離傳輸。

窄線寬光纖激光器巨大的潛在市場和廣闊的應(yīng)用前景引起了世界各國的廣泛關(guān)注，美國、英國、丹麥、加拿大、澳大利亞、德國等西方發(fā)達國家相繼投入了大量人、財、物力開展了大量研究工作。2005年，美國某一公司推出了基于新型光纖材料的窄線寬光纖激光器，其輸出功率可達幾百毫瓦，是當時最好的窄線寬光纖激光器輸出功率的上百倍。2008年，華南理工大學光通信材料研究主持的市科技攻關(guān)計劃重點項目“單縱模光纖激光器的研制”取得重要突破，成功研制出輸出功率大于230 mW、輸出線寬小于2 kHz的單頻窄線寬光纖激光器，該研究成果的關(guān)鍵技術(shù)被劉頌豪院士為組長的鑒定專家組鑒定為國際領(lǐng)先水平。由于高性能單縱模窄線寬光纖激光器在軍事等敏感領(lǐng)域有著廣闊的應(yīng)用需求，國外在核心技術(shù)和核心材料方面對我國實行禁運，產(chǎn)品進口受到限制，研究研制并建設(shè)發(fā)展具有我國自主知識產(chǎn)權(quán)的單縱模、窄線寬光纖激光器及設(shè)備生產(chǎn)線具有極其重要的意義。

2010年3月，深圳市飛米激光技術(shù)有限公司與華南理工大學進行技術(shù)項目合作，把科研成果轉(zhuǎn)化成實際生產(chǎn)力，正式推出了屬于中國人自己的窄線寬光纖激光器，填補了中國在該領(lǐng)域的空白。