光纤激光器的原理、特点及其发展前景

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摘要：作为固体激光器的一员，光纤激光器以其结构简单紧凑、体积小，工作稳定可靠，易于集成等特点，一直被认为是固体激光器技术实用化的最佳选择。高功率光纤激光除在科研、工业加工和医疗保健等领域有着广泛的应用外，在军事国防领域也有着巨大的应用价值。海湾战争等高技术战争的实践表明，光电武器装备对战术武器性能起决定性作用。近十年来，高功率光纤技术已成为激光技术领域的热点研究技术之一。本文介绍了光纤激光器的背景及最新成果，双包层光纤激光器的原理与特点。
关键词：双包层光纤光纤激光器掺杂光纤
早在1961年，美国光学公司（AmericanOpticalCorporation）的Snitzer等就提出了光纤激光器的构想，但由于受当时条件的限制，研究进展非常缓慢。进入20世纪80年代中期，Townsend等发明了溶液掺杂技术（Solutiondopingtechnique）。此后，Poole等用改进的化学气相沉积法（MCVD）研制成低损耗的掺铒光纤，一些实验室开始从掺铒光纤中得到了波长1.5um、高达30dB的光放大增益，引起了人们的高度重视。到80年代中后期，基于半导体激光器泵浦的掺铒光纤激光器和低损耗的石英单模光纤制造技术，为光纤通信的迅猛发展奠定了强有力的技术基础。正是由于掺铒光纤放大器为光纤通信所带来诱人前景的驱动，引发了80年代中后期稀土掺杂光纤激光器的研究热潮。随后Hanna等纷纷报道掺铒、钕、镱、铥及铒/镱共掺等光纤激光器。但当时采用的稀土掺杂光纤为单包层光纤，泵浦光必须直接耦合到直径仅仅几微米的单模纤芯中，这对泵浦源的激光模式提出了较高的要求，导致泵浦源昂贵且耦合效率低。因此，传统的稀土掺杂光纤激光器只能作为一种低功率的光子器件。1）与传统的半导体激光器不同，光纤激光器以掺杂稀土元素的光纤作为工作介质，采用反馈器件构成谐振腔，在泵浦光的激励下，光纤内掺杂介质产生受激发射，进而形成激光振荡输出激光。但常规的光纤激光器因需要将泵浦光耦合进入直径低于10um的单模纤芯，因而耦合效率低，限制了光纤激光器的输出功率。但是在大多数应用领域需要超过瓦量级的输出功率，再加上光纤制作技术、泵浦光源以及光学技术的限制，光纤激光器的发展一直比较缓慢。
光纤激光是当前的热门话题。ROFIN与TRUMPF分别收购NUFERN与SPI公司发展光纤激光已三年，今春上海慕尼黑激光展上，ROFIN展出了2KW光纤激光器，但全球高功率光纤激光器市场依然是IPG一统天下。继上年SALVAGNINI与LASERPHOTONICS等公司展出用其的光纤激光器之切割机后，2010年11月在亚特兰大的FABTECH与汉诺威的EUROBLECH展会上又推出愈来愈多的光纤激光切割机。欣喜的是一批海归博士矢志回国创业，创建了武汉锐科光纤激光、西安炬光等公司，研发生产高功率光纤激光器与二极管激光泵源，相信有自主知识产权的4KW连续波光纤激光器不久将会呈现在国人面前。2）
较之传统光纤激光器，双包层光纤激光器采用具有双包层结构的掺杂光纤作为工作介质。泵浦光在多模内包层中传输，内包层具有大的数值孔径和横向尺寸，就使得采用多模LD阵列作为泵浦源成为可能。随着泵浦光在光纤中传输，纤芯中的掺杂介质吸收能量产生粒子数反转并产生受激跃迁，在光反馈的作用下产生激光振荡。
双包层光纤激光器以其高输出功率、低阈值、高效率、窄线宽和可调谐等显著优势，越来越受到人们的青睐。
双包层光纤是一种特殊结构的光纤，是双包层光纤激光器的核心，其结构如图1所示。

图1：双包层光纤结构示意
双包层掺杂光纤由纤芯、内包层、外包层和保护层四个层次组成。内包层的作用：一是包绕纤芯，将激光辐射限制在纤芯内；二是将泵浦光耦合到内包层，使之在内包层和外包层之间来回反射，多次穿过单模纤芯被其吸收。在双包层结构中，泵浦光的吸收率和内包层的几何形状和纤芯在包层结构中的位置有关。此外，泵浦光被掺杂稀土离子的吸收率正比于内包层和外包层的面积比。
双包层光纤激光器采用包层泵浦技术，利用高功率二极管阵列对双包层光纤进行有效地泵浦。多模泵浦光在双包层光纤的内包层中传输，纤芯的掺杂稀土离子吸收多模泵浦光并辐射出单模激光，将高功率、低亮度的泵浦光转换成衍射极限的，单模强激光输出。双包层光纤的独特结构使得泵浦光不必耦合到单模纤芯内，而是耦合到内包层中，极大地提高了耦合效率和入纤泵浦功率。再加上光纤所具有的高表面积/体积比，从而有效地消除了限制高功率激光器的激光介质热效应问题。双包层光纤激光激光器以其小巧灵活、全固化、低阈值以及有着衍射极限的光束质量等显著优点越来越受到人们的喜爱。双包层光纤与传统的单模光纤的区别在于，通过设计光纤结构和选择合适的材料-----内包层。以大功率多模激光器为泵浦源，通过包层泵浦技术将多模泵浦光耦合进入内包层。当泵浦光沿光纤内包层的纵向传播时将多次穿越纤芯，并逐渐被稀土离子所吸收，从而产生激光效应。光线在双包层光纤中的传播过程如图2所示。

图2：双包层光纤工作原理示意图
双包层光纤激光器最容易实现的结构为线性腔、端泵浦的形式，即在双包层光纤的两端加上激光双色镜，经过耦合系统的泵浦光从双包层光纤的一端进入光纤，产生的信号光在两个腔镜和双包层光纤组成的谐振腔中进行激光振荡，得到模式优质的激光输出。其基本结构如图3所示。

图3：掺杂双包层光纤激光器结构示意图
泵浦源LD所产生的泵浦光经过透镜耦合系统准直、聚焦后入射到双包层光纤的前端，经过光纤前端的二色镜进入有着大数值孔径和大横向尺寸的内包层，并沿着光纤传输，在传输过程中激发掺杂纤芯中的稀土离子产生受激跃迁，并形成粒子数反转，在达到形成激光振荡所需要的条件后，从光纤的另一端输出激光。非球面透镜耦合系统的作用是将多模半导体激光器输出的光束变换成为适合在双包层光纤中传输的光束。前腔镜用于将后向的激光反射回到光纤中去，后腔镜的作用是把剩余泵浦激光反射回到光纤包层中去继续参与泵浦，并反射部分信号激光回到光纤纤芯参与激光振荡，进行谐振放大。
由于采用双包层光纤的特殊结构，双包层光纤激光器除了具有结构简单、体积小、散热性好、输出激光光束质量好等一些光纤激光器的优点外，还有着一些独特的优点：
（1）双包层光纤作为波导介质，纤芯直径非常小，在纤芯内限制了极少数的激光模式，很容易形成高功率密度，且内包层结构能保证大功率半导体泵浦，因而可以提高泵浦效率，实现高增益。双包层光纤的特殊结构降低了激光器的工作阈值，提高了泵浦光转换效率。纤芯的几何尺寸限制了在光纤内传输的光的模式，选择适合的增益光纤就可以使激光实现单模运转，同时保证输出光束的质量。
（2）由于双包层光纤具有很高的“表面积/体积”比，散热效果好，环境温度允许在－20～70摄氏度，无需庞大的水冷系统，高功率运转时也需要风冷。冷却系统的简化降低了激光器的成本，极大地提高了激光器的稳定性和工作寿命，平均无故障时间在10000h甚至100000h以上。又由于双包层光纤具有良好的柔性，双包层光纤激光器可以设计得相当小巧、结构紧凑、易于集成，可以在高冲击、强振动、高温度、有灰尘等相对恶劣的环境中工作，特别适用于对功率要求较高的特殊环境。
（3）双包层光纤激光器具有良好的光谱特性。通过改变双包层光纤纤芯内的掺杂物质或者掺杂物质的组分（如镱/钕共掺），可以实现不同波长的激光输出。同时对于某单一掺杂物质，输出的光谱特性也受到基质材料的影响。
（4）双包层光纤激光器本质上是一种光纤器件，因此，它能以较高的耦合效率与目前的光纤通信系统中的光纤器件（如光纤耦合器、光纤反射镜、光纤光栅、光纤放大器、波分复用器等）连接。将光纤激光器用在现有的通信系统上，可以支持更高的传输速率，也是未来高码率密集波分复用系统以及未来相干通信的基础。
参考文献：1.赵尚弘，占生宝，石磊；.《高功率光纤激光技术》，科学出版社，2009，1~10、152~157；
2.申人升，张玉书，杜国同等；光纤激光器研究进展LatestDevelopmentofFiberLasers，大连理工大学物理与光电工程学院学报，2009年01期002；