常用光纖激光器簡(jiǎn)介

光纖激光器是指用摻稀土元素玻璃光纖作為增益介質(zhì)的激光器，光纖激光器可在光纖放大器的基礎上開(kāi)發(fā)出來(lái)：在泵浦光的作用下光纖內極易形成高功率密度，造成激光工作物質(zhì)的激光能級“粒子數反轉”，當適當加入正反饋回路（構成諧振腔）便可形成激光振蕩輸出。

光纖激光器應用范圍非常廣泛，包括激光光纖通訊、激光空間遠距通訊、工業(yè)造船、汽車(chē)制造、激光雕刻激光打標激光切割、印刷制輥、金屬非金屬鉆孔/切割/焊接（銅焊、淬水、包層以及深度焊接）、軍事國防安全、醫療器械儀器設備、大型基礎建設等等。

2.光纖激光器的優(yōu)勢

光纖激光器作為第三代激光技術(shù)的代表，具有以下優(yōu)勢：

（1）玻璃光纖制造成本低、技術(shù)成熟及其光纖的可饒性所帶來(lái)的小型化、集約化優(yōu)勢；

（2）玻璃光纖對入射泵浦光不需要像晶體那樣的嚴格的相位匹配，這是由于玻璃基質(zhì)Stark 分裂引起的非均勻展寬造成吸收帶較寬的緣故；

（3）玻璃材料具有極低的體積面積比，散熱快、損耗低，所以上轉換效率較高，激光閾值低；

（4）輸出激光波長(cháng)多：這是因為稀土離子能級非常豐富及其稀土離子種類(lèi)之多；

（5）可調諧性：由于稀土離子能級寬和玻璃光纖的熒光譜較寬。

（6）由于光纖激光器的諧振腔內無(wú)光學(xué)鏡片，具有免調節、免維護、高穩定性的優(yōu)點(diǎn)，這是傳統激光器無(wú)法比擬的。

（7）光纖導出，使得激光器能輕易勝任各種多維任意空間加工應用，使機械系統的設計變得非常簡(jiǎn)單。

（8）勝任惡劣的工作環(huán)境，對灰塵、震蕩、沖擊、濕度、溫度具有很高的容忍度。

（9）不需熱電制冷和水冷，只需簡(jiǎn)單的風(fēng)冷。

（10）高的電光效率：綜合電光效率高達20%以上，大幅度節約工作時(shí)的耗電，節約運行成本。

（11）高功率,目前商用化的光纖激光器是六千瓦。

3.高功率的光纖激光器及其包層泵浦技術(shù)

雙包層光纖的出現無(wú)疑是光纖領(lǐng)域的一大突破，它使得高功率的光纖激光器和高功率的光放大器的制作成為現實(shí)。自1988年E Snitzer首次描述包層泵浦光纖激光器以來(lái)，包層泵浦技術(shù)已被廣泛地應用到光纖激光器和光纖放大器等領(lǐng)域，成為制作高功率光纖激光器首選途徑。

包層泵浦技術(shù)，由四個(gè)層次組成:①光纖芯;②內包層;③外包層;④保護層。如圖（1）所示，將泵光耦合到內包層（內包層一般采用異形結構，有橢圓形、方形、梅花形、D形及其六邊形等等）,光在內包層和外包層（一般設計為圓形） 之間來(lái)回反射,多次穿過(guò)單模纖芯被其吸收。這種結構的光纖不要求泵光是單模激光,而且可對光纖的全長(cháng)度泵浦,因此可選用大功率的多模激光二極管陣列作泵源,將約70%以上的泵浦能量間接地耦合到纖芯內,大大提高了泵浦效率。

包層泵浦技術(shù)特性決定了該類(lèi)激光器有以下幾方面的突出性能。

1、高功率

一個(gè)多模泵浦二極管模塊組可輻射出100瓦的光功率，多個(gè)多模泵浦二極管并行設置，即可允許設計出很高功率輸出的光纖激光器。

2、無(wú)需熱電冷卻器

這種大功率的寬面多模二極管可在很高的溫度下工作，只須簡(jiǎn)單的風(fēng)冷，成本低。

3、很寬的泵浦波長(cháng)范圍

高功率的光纖激光器內的活性包層光纖摻雜了鉺/鐿稀土元素，有一個(gè)寬且又平坦的光波吸收區(930-970nm),因此，泵浦二極管不需任何類(lèi)型的波長(cháng)穩定裝置

4、效率高

泵浦光多次橫穿過(guò)單模光纖纖芯，因此其利用率高。

5、高可靠性

多模泵浦二極管比起單模泵浦二極管來(lái)其穩定性要高出很多。其幾何上的寬面就使得激光器的斷面上的光功率密度很低且通過(guò)活性面的電流密度亦很低。這樣一來(lái)，泵浦二極管其可靠運轉壽命超過(guò)100萬(wàn)小時(shí)。

目前實(shí)現包層泵浦光纖激光器的技術(shù)概括起來(lái)可分為線(xiàn)形腔單端泵浦、線(xiàn)形腔雙端泵浦、全光纖環(huán)形腔雙包層光纖激光器三大類(lèi)，不同特色的雙包層光纖激光器可由該三種基本類(lèi)型拓展得到。

OFC－2002的一篇文獻采用如圖2所示腔體結構，實(shí)現了輸出功率為3.8W、閾值為1.7W，傾斜效率高達85%的新型包層泵浦光纖激光器[1]。在產(chǎn)品技術(shù)方面，美國IPG公司異軍突起，已開(kāi)發(fā)出700W的摻鐿雙包層光纖激光器，并宣稱(chēng)將推出2000W的光纖激光器。

4.新型的光纖激光器技術(shù)

早期對激光器的研制主要集中在研究短脈沖的輸出和可調諧波長(cháng)范圍的擴展方面。今天，密集波分復用(DWDM)和光時(shí)分復用技術(shù)的飛速發(fā)展及日益進(jìn)步加速和刺激著(zhù)多波長(cháng)光纖激光器技術(shù)、超連續光纖激光器等的進(jìn)步。同時(shí)，多波長(cháng)光纖激光器和超連續光纖激光器的出現，則為低成本地實(shí)現Tb/s的DWDM或OTDM傳輸提供理想的解決方案。就其實(shí)現的技術(shù)途徑來(lái)看，采用EDFA放大的自發(fā)輻射、飛秒脈沖技術(shù)、超發(fā)光二極管等技術(shù)均見(jiàn)報道。

5.我國光纖激光器目前研究進(jìn)展

2002年南開(kāi)大學(xué)報道了在摻Yb3 + 雙包層光纖器中得到了脈寬4. 8ns 的自調Q 脈沖輸出和混合調Q 雙包層光纖激光中得到峰值功率大于8kW ,脈寬小于2ns 的脈沖輸出。

2003年南開(kāi)大學(xué)報道了利用脈沖泵浦獲得100kW 峰值功率的調Q 脈沖,以及得到的60nm 可調諧的調Q 脈沖。

2003年11月20日報道，上?？茖W(xué)家在激光領(lǐng)域取得新成果，成功開(kāi)發(fā)出輸出功率高達107W的光纖激光器。此激光器的全稱(chēng)為“高功率摻鐿雙包層光纖激光器”，與目前已有的激光器相比它的維護費用和功率消耗都要低得多，壽命是普通激光器的幾十倍。該課題組的負責人之一樓祺洪研究員告訴記者，激光打印有著(zhù)廣泛的應用前景，與市民生活直接相關(guān)的如食品的生產(chǎn)日期、防偽標志等，若以激光打印代替現在的油墨打印清晰度高、永不褪色、難以仿冒、利于環(huán)保，具有國際流行的新趨勢。上?？茖W(xué)家研制的光纖激光器使光纖激光輸出功率又上升了一個(gè)新臺階，最大輸出功率達107W，已經(jīng)遙遙領(lǐng)先于全國同行。

2004年，南開(kāi)大學(xué)又報道了連續泵浦206kW峰值功率的調Q 脈沖。

2004年12月3日，烽火通信報道，繼推出激光輸出功率達100W以上的雙包層摻鐿光纖后，經(jīng)過(guò)艱苦的攻關(guān)再創(chuàng )佳績(jì)，將該類(lèi)新型光纖的輸出功率成功提高至440W，達到國際領(lǐng)先水平。

這是烽火通信在特種光纖領(lǐng)域邁出的重要一步，同時(shí)也是我國在高功率激光器用光纖領(lǐng)域的重大突破。摻鐿雙包層光纖激光器是國際上新近發(fā)展的一種新型高功率激光器件，由于其具有光束質(zhì)量好、效率高、易于散熱和易于實(shí)現高功率等特點(diǎn)，近年來(lái)發(fā)展迅速，并已成為高精度激光加工、激光雷達系統、光通信及目標指示等領(lǐng)域中相干光源的重要候選者。雙包層摻鐿激光器的主要激光增益介質(zhì)是雙包層摻鐿光纖，因此雙包層摻鐿光纖的性能直接決定了該類(lèi)激光器的轉換效率和輸出功率。烽火通信作為國內唯一一家進(jìn)行雙包層摻鐿光纖研究的單位，在成功推出輸出功率達100W以上的完全可商用的雙包層摻鐿光纖產(chǎn)品后，又加大的研發(fā)力度，使得其輸出功率實(shí)現440W以上，達到國際領(lǐng)先水平。

6.結論

光纖激光器作為第三代激光技術(shù)的代表，具有其他激光器無(wú)可比擬的技術(shù)優(yōu)越性。不過(guò)，我們認為，在短期內，光纖激光器將主要聚焦在高端用途上隨光纖激光器的普及，成本的降低以及產(chǎn)能的提高，最終將可能會(huì )替代掉全球大部分高功率 CO2激光器和絕大部分YAG激光器。