解析高功率光纤激光器关键技术

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高功率光纤激光器是一种新型光源，在同样的输出光功率下，光纤激光器在光束质量、光传递特性、可靠性和体积大小等方面都具有极大优势。光纤激光器的增益介质长，能很方便地延长增益介质以使抽运光被充分吸收，这一特性使光纤激光器能在低抽运功率下运转，而且能保证极佳的光束质量和很高的转换效率。发丝般粗细的光纤使光纤激光器能获得极高的光功率密度(140mW／cm2)。光纤激光器具有大表面／体积比，其工作物质的热负荷小，具有良好的散热特性，不需要额外增加庞大的制冷系统，给光纤激光器的使用带来极大方便。另外，光纤激光器结构简单，易于实现流水化和大批量生产。因此，高功率光纤激光器的研发和实用化技术已成为激光技术领域的一个热点，受到广大科研工作者和业界专家们的极大关注。
高功率光纤激光器的关键技术
1.包层泵浦技术
包层泵浦技术克服了低空间相干性强泵浦光与单个空间模的激光波导之间不易耦合的困难，包层泵浦技术是通过双包层光纤实现的。与普通光纤相比，双包层光纤增加了内包层，其横向尺寸和数值孔径远大于纤芯，而且对于泵浦光是多模的，可以有效提高泵浦光的耦合效率。多模的泵浦光在内包层的传输过程中，多次经过纤芯，被纤芯中的稀土离子吸收。这种光纤结构增加了泵浦长度，显著提高了泵浦效率，从而使光纤激光器的输出功率提高几个数量级。泵浦光的吸收效率与内包层的几何形状以及纤芯在包层中的位置有关。典型的内包层结构有方形、矩形、圆形、D形、梅花形以及偏心结构等。研究结果表明，同心圆形结构的吸收效率最低，而非圆形的内包层结构对泵浦光的吸收效率很高，理想情况可达到100％。
2.泵浦耦合技术
高功率光纤激光器的关键技术之一就是如何将泵浦源输出的光功率有效地耦合到增益光纤中去。常规的光纤激光器采用普通的单模光纤做增益介质，耦合效率极低，很难得到高功率的光纤激光。包层泵浦技术的出现，极大提高了泵浦光的耦合效率，使光纤激光器摆脱了低功率、无较大应用价值的印象，推动了高功率光纤激光器的发展。但要获得几
百瓦甚至几千瓦的光纤激光，就需要更高输出功率的泵浦源(一般为半导体激光器阵列)，将半导体激光器阵列输出的几千瓦的激光耦合入一根双包层增益光纤是一件很困难的事，耦合效率也很低。因此，寻找泵浦光进入增益光纤的耦合新技术是一项重要的工作。采用树杈形光纤，将多个激光二极管输出的光功率同时耦合进入增益光纤是最好的解决方案，即每个激光二极管输出的光由多模光纤导出，采用光纤集合熔接技术，将多根多模光纤融合成一根光纤，制成光纤模块。这样可使单根光纤的输出能量在百瓦级，同时消除了半导体激光列阵集成模块的散热问题。将树权形光纤模块作为泵浦光进入双包层增益光纤的导人口，可以将多个激光二极管输出的光功率有效地耦合进增益光纤的内包层，有效提高泵浦效率。
3.谐振腔制备技术
制备合适的光学谐振腔是高功率光纤激光器实用化的又一项关键技术。目前，高功率光纤激光器的谐振腔主要有两种：一种是在光纤端面镀膜或采用二色镜构成谐振腔，这种方法给泵浦光的耦合以及光纤激光器的封装都带来很大困难，不利于光纤激光器的实用化和商品化；另一种是采用光纤光栅做谐振腔。光纤光栅是一种低损耗器件，具有非常好的波长选择特性，光纤光栅的采用简化了激光器的结构，同时提高了激光器自勺信噪比和可靠性，窄化了线宽，提高了光束质量，而且通过应力调节可进行波长调谐。另外，采用光纤光栅做谐振腔可以将泵浦源的尾纤，通过锥形光纤与增益光纤有机地熔接为一体，避免用二色镜和透镜组提供激光反馈带来的损耗，从而降低了光纤激光器的阈值，提高输出激光的斜率效率：因此，采用光纤光栅做谐振腔不仅使光纤激光器的结构简单、紧凑，而且极大提高了泵浦光的耦合效率(可达90%)，有利于光纤激光器的实用化。