光纖激光器的最新進展及未來發(fā)展

　　光纖激光器具有結構緊湊、堅固耐用、不易失準和易于熱管理等優(yōu)點，通常由激光二極管(LD)泵浦，所用光學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部刻寫的光纖布拉格光柵作為腔鏡。

　　雙包層結構

　　光纖激光器中光纖一般為雙包層結構，如圖1所示。未摻雜的內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。非圓柱的內包層結構有六角形、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。側面泵浦是泵浦光耦合到光纖的一側，通過耦合器耦合到光纖的內包層中。

　　泵浦耦合的重點在于將泵浦光耦合進入內包層，使它與光纖的吸收相匹配，進入纖芯產(chǎn)生粒子束反轉，獲得纖芯內的受激輻射?；诠饫w內的摻雜以及光纖長度，纖芯具有不同的增益。這是設計所需要的泵浦結構所需要考慮的問題。

　　單模光纖中會存在功率限制。單模光纖纖芯具有很小的橫截面積，結果可以通過高強度光。在高功率密度時，非線性布里淵散射將變得非常嚴重，限制kW量級輸出功率。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

　　光纖作為工作介質擁有很長的作用長度，有利于二極管泵浦，也使得光子轉換效率很高，為緊湊、堅固的設計提供了條件。當光纖器件都熔接到一起，就不會有分立的器件需要調節(jié)。

　　有一些特殊結構的光纖激光器。光纖激光器可以實現(xiàn)單通道放大，其可以同時放大不同波長光廣泛應用于通信領域。光纖放大也用于MOPA結構，目的是產(chǎn)生更高功率的激光輸出。另一個例子是光纖放大自發(fā)輻射光源。還有一個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，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

　　光纖激光是準三能級系統(tǒng)。光子受激躍遷從基態(tài)到較高能級，然后光子再躍遷到亞穩(wěn)態(tài)能級，產(chǎn)生激光。這個過程十分高效：如使用940nm泵源泵浦摻Yb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，但更為實用。

　　總的來說激光效率由兩個因素決定。第一是泵源的效率。半導體激光器的電-光轉換效率在50%左右，在實驗室可達到70%或更高。當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-光轉換效率60%～70%，此時電-光效率25%～35%。

　　不同光纖激光器的結構

　　連續(xù)光纖激光器可以是單模也可以是多模的。單模產(chǎn)生的高質量光束能夠應用在材料領域或大氣傳輸，多模工業(yè)激光則具有高功率。如果應用并不需要產(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，例如對于切割和焊接的熱處理。

　　長脈沖激光被稱為準連續(xù)激光器，產(chǎn)生ms量級的脈沖，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，對于鉆孔等應用來說非常有利。根據(jù)脈寬可將重復頻率調制達500Hz。

　　調Q光纖激光器脈沖寬度在ns量級到ms量級之間，光纖越長，輸出脈沖越寬。由于纖芯橫截面積小，非線性效應明顯，限制了峰值功率的提高?？梢酝ㄟ^傳統(tǒng)Q開關獲得高峰值功率，也可以通過將光纖Q開關和端面熔接獲得。調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。

　　在鎖模光纖激光器中，重頻取決于增益介質的長度，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?？梢酝ㄟ^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的非線性效應，用于超連續(xù)譜的產(chǎn)生等應用。也可以拉制成大單模纖芯以避免高功率下的非線性效應，用于高功率，并將光纖纏繞可消除高階模。基于非線性效應產(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。另一個超連續(xù)譜光源工作在紅外領域，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化。使用高強度鋼材生產(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器手可以輕松移動光束的焦點，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。盡管光束并非單橫模，但由于其由標準且簡單的元件組成，引起了廣泛關注。

　　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。整個系統(tǒng)的大小約和兩臺冰箱一樣。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達到了33。

　　光纖激光在高功率切割和焊接方面也有其他的應用，如代替了電阻焊在高速鋼板上的應用，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?因為建造抗震建筑物時，需要謹慎對待混凝土。傳統(tǒng)的沖擊鉆孔會使混凝土裂縫并變得脆弱，而光纖激光器卻可以實現(xiàn)無縫切割。

　　調Q光纖激光器可用于材料處理，例如激光打標或者半導體電子產(chǎn)品的制造。也可用于激光雷達，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制造上的應用正在引起廣泛關注。對于表面燒蝕，如果脈寬小于35ps，將不會再有材料飛濺、消融，消除切割中切口和其他瑕疵產(chǎn)生。fs領域對波長不敏感的非線性效應的激光，不會對周圍區(qū)域產(chǎn)生熱效應，使得材料處理不會對周圍區(qū)域產(chǎn)生損壞或削弱，并且可以使孔有很大的縱橫比。

　　也可以對透明材料進行表面加工，例如對人眼。在LASIK手術中為了切割角膜基質層，fs脈沖聚焦到人眼附近，對周圍不造成傷害的情況下，在一個可控深度下?lián)舸┤搜?。角膜基質層可以拉起來供準分子激光切削。超短激光在醫(yī)學上的其他應用包括皮膚學中的淺穿透、OCT技術等。

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

　　單頻光纖激光器可達到線寬小于1kHz，該設備非常小，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、計量學(如光纖陀螺)和光譜學。

　　光纖激光的未來

　　和其他研究一樣，光纖激光器仍有很多內容需要繼續(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量的單光束。光纖激光器在工業(yè)應用上正在迅速發(fā)展，特別是在自動化領域。透過價格和性能這些改進來看，更實用的飛秒和超連續(xù)譜源會出現(xiàn)。光纖激光器正在推進超越自身的市場，已經(jīng)進軍其他市場，它也是推進其他激光器變得更好的動力。