浅析高功率光纤激光器

 
   光库通讯（珠海）有限公司       葛 强    
前 言：
    所谓高功率光纤激光器，是相对于光纤通讯中作为载波的低功率光纤激光器而言（功率为mW级），是定位于机械加工、激光医疗、汽车制造和军事等行业的高强度光源。高功率光纤激光器巧妙地把光纤技术与激光原理有机地融为一体，铸造了21世纪最先进和最犀利的激光器。即使是在激光技术发达的国家，光纤激光器也是尖端、神秘和充满诱惑的代名词。2002年6月，光纤激光器空降中国，震撼了中国激光学术和产业界，引起了尊至院士的深情关注！
一、光纤技术
    光纤激光器的最大特点就是一根光纤穿到底，整台机器高度实现光纤一体化。而那些只在外部导光部分采用光纤传输或者LD泵浦源采用尾纤来耦合的激光器都不是真正意义上的光纤激光器。
    光纤是以SiO2为基质材料拉成的玻璃实体纤维，主要广泛应用于光纤通讯，其导光原理就是光的全反射机理。普通裸光纤一般由中心高折射率玻璃芯(芯径一般为9-62.5μm) 、中间低折射率硅玻璃包层 (芯径一般为125μm) 和最外部的加强树脂涂层组成。〈见图一〉光纤可分为单模光纤和多模光纤。单模光纤：中心玻璃芯较细(直径9μm+0.5μm)，只能传一种模式的光，其模间色散很小，具有自选模和限模的功能。多模光纤：中心玻璃芯较粗(50μm +1μm)，可传多种模式的光，但其模间色散较大，传输的光不纯。
         
    用于高功率光纤激光器中的光纤不是普通的通讯光纤，而是掺杂了多种稀有离子、结构更为复杂、耐高辐射的特种光纤---双包层光纤。（图二）
                            

                 
    双包层光纤比普通光纤在纤芯外多了一个内包层，对泵浦光而言是多模的，直径和受光角较大，能大肆吸收高亮度的多模泵浦光，在光纤内聚集大量的光子。实践证明：横截面为D型和矩形的双包层光纤具有95%的耦合效率因而得到广泛应用。对于脉冲光纤激光器而言，一个重大的课题就是如何提高光纤的耐辐射能力。目前世界上光纤激光器的单脉冲能力可以达到20,000W，一根头发丝大小的光纤如何能承受如此高的激光辐射？所以必须考虑在光纤内掺杂某种特殊离子防止光纤被烧坏。比如掺杂了铈离子的光纤就是在核辐射情况下，既不会因染色而失去透光能力，更不会受热变形。
二、传统固体激光器
    激光器说白了就是一个波长转换器---波长短的泵浦光激励掺杂离子转换成长波长的光辐射，它一般由3部分组成：工作物质、谐振腔和泵浦系统。由于光纤激光器本质上属于固体激光器，所以在此仅比较一下传统Nd:YAG激光器的特性。
工作物质：
    工作物质是固体激光器的心脏，它的物理性质由基质材料决定，光谱性质由激活离子内的能级结构决定。在YAG单晶体中掺入三价的Nd3+，便构成了目前广泛应用的YAG激光晶体。它主要有如下明显的特点：
1、YAG棒生长速度很慢，一般小于1mm/h。目前最大晶体棒的直径为40mm，长180mm，所以激光增益从根本上受到限制，无法实现特高功率激光输出。
2、工作物质只要是晶体就无法回避激光棒的热透镜效应、热应变和热致双折射现象，严重时出现“激光淬灭”和激光棒断裂；所以，YAG激光器效率很低。
3、Nd:YAG棒的主要吸收谱线在810nm附近，其带宽约为2nm，所以要严格控制泵浦源的线宽，否则吸收无效反而造成热损耗，所以YAG激光器一般要加庞大的冷却系统。
4、由于Nd3+半径与Y3+半径不完全相符，Nd3+离子掺入YAG晶体中在结构上存有天生的缺陷造成光学瑕疵，不能够在YAG晶体中掺入高浓度的Nd3+来实现高增益，这同时也是影响激光器光学性能的根本。
5、处于亚稳态能级的Nd3+离子平均寿命长为300us，其最佳Q开关重复频率只能是1/300us，即3.3Khz，所以YAG激光器的Q开关一般设定为3-5Khz而无法实现高频工作。 
光学谐振腔：
    传统光学谐振腔主要由工作物质两端镀了膜的两块镜片组成，起着正反馈、选模和输出耦合的作用。比较光纤激光器独特的腔结构，传统光学谐振腔主要有如下特点：
1、由于是由两块镜片组成，谐振腔受到机械振动、热透镜效应以及晶体棒热焦距扰动影响，从而造成激光无法正常出光，需极为烦琐的调光与监控。
2、腔镜对灰尘、水分和杂物十分敏感，需经常专业擦拭，否则影响激光功率。
3、腔长长度与输出功率是一对矛盾，光束质量与激光能量是一对矛盾；只有采取昂贵的选模/锁模腔才可以实现高质量的大功率输出。
4、从激光晶体激励出来的初始激光不是单模光，而是一束直径为几毫米的光束，必须通过腔镜衰减或选模机制来实现单模输出，从而降低了整体转换效率。
泵浦系统：
    由于灯泵系统的优缺点广为人知，在此仅谈谈DPSSL的泵浦方式的某些特性：
1、由于DPPSSL主要是在泵浦系统上稍作改进，它只能缓解激光棒热效应，而无法从本质上根除晶体激光器的这个弊病。
2、需严格控制LD的波长在808-812nm之间，要么加冷却系统，要么加波长锁定器，这是由于Nd :YAG晶体光谱特性所决定的。
3、如泵浦光聚焦在几毫米的晶体端面进行端泵，一是无法实现高功率输出；二是泵浦光不能太强，否则膜层可能脱落，晶体棒无法及时散热，甚至出现棒畸变。
4、如泵浦光对晶体进行侧面泵浦，则一般为多模输出，如不采取专门措施，无法提高光束质量。
5、LD直接发射出的激光为高度高斯像散光束，在进行端泵时需增加各种光学元件把泵浦光校准、聚焦在晶体上，这些附加的光学器件必将受到机械振动、灰尘和潮湿的影响，从而降低转换效率。
三、低功率光纤激光器
    普通通讯用的光纤激光器输出功率一般都是毫瓦级，其典型结构如下图：  
             
它与我们传统加工用的工业激光的显著区别有：
1、用掺杂离子的光纤作为工作物质
2、用光纤光栅代替光学镜片构成光学谐振腔
3、LD泵浦源可以通过尾纤与掺杂光纤无缝耦合
4、导光部分也直接采用光纤输出
    但是该种激光器的单模纤芯直径只有9um，而且只能采用端泵，无法承受太高的功率密度；另外，单模纤芯对LD的模式提出了严格的要求，只有单模光才可以耦合进纤芯进行有效泵浦，可惜大功率单模LD至今无法实现；最后，强泵浦光耦合在很细的纤芯里会出现严重的非线性效应，从而改变会改变光学性能和降低转换效率。由于该种激光器受到功率的影响，一直以来只局限于光通讯领域；同时由于巨大的行业差距，几乎无人曾敢把它与激光加工联想到一块。所以，大功率输出是光纤激光器发展的最大瓶颈，几乎所有的研究工作都在围绕这个问题展开。
    尽管中国绝大部分人士是在2002年以后才意识到高功率光纤激光器，可是俄罗斯至少潜心苦研了20年后有了IPG公司，英国也至少研究了30年也有了SPI。他们在冷战时代都肩负着重要的国防使命，得到了国家的鼎立支持并一直是军事领域的绝密。
四、高功率光纤激光器
    下图是来自俄罗斯技术的IPG公司的高功率光纤激光器的原理图，按激光器三大组成部分浅析如下：
                   
 工作物质-----双包层特种光纤：
1、单模纤芯由掺镱离子等元素的石英材料构成，作为激光振荡通道；而内包层则由横向尺寸和数值孔径比纤芯大的多、折射率比纤芯小的纯石英材料构成，它是接受多模LD泵浦光的多模光纤；正是因为掺杂激活纤芯和接受多模泵浦光的多模内包层分开，才得以实现了多模光泵浦而单模光输出的可能，从而无形化解了激光功率和光束质量这一矛盾。
2、整个双包层光纤采用D型等结构，旋光效应小，吸收充分，光光转换80%以上。
3、光纤两侧生出无数杈纤，每分衩可与带尾纤的LD无缝耦合形成分点泵浦，可极大地提高输出功率，同时又避免了传统端泵带来的一系列热效应问题。
5、光纤采用比普通玻璃性能更好的石英材料制成，同时掺杂耐高辐射离子，整段光纤可承受高达10,000W的激光能量而不会出现热损伤情况。
6、Yb3+没有激发态吸收，可高浓度掺杂，同时光纤可达几百米，一可大大提高激光增益，二又增大了散热面积；光纤盘在热沉上，简单风冷便可稳定工作。
7、Yb3+的吸收谱比Nd3+要宽10倍，对LD光源模式十分宽松，几乎不受波长温漂的影响，可大大转换效率。
8、Yb3+能级为简单的二能级，亚稳态寿命是Nd3+的三倍，小功率泵源就可在激发态积累贮存大量的能量，十分合适在极窄的纤芯内形成高密度的离子数反转，从而可输出稳定的强激光。
                  
 光学谐振腔----光纤光栅：
              
1、光纤光栅是利用光纤材料的光敏性：即外界入射光子和纤芯相互作用而引起后者折射率的永久性变化，用紫外激光直接写入法在单模光纤的纤芯内形成的空间相位光栅，其实质是在纤芯内形成一个窄带的滤光器或反射镜。
2、光纤光栅是被刻在纤芯的两端，当激活离子发射出一连续宽带光传输到光栅时，它会有选择地反射回相应的一个窄带光（如1064nm），并沿原传输光纤返回振动；其余杂光则直接透射或发射到光纤外滤掉。
3、光纤光栅是在纤芯本身上刻录的，与光纤连成一体高度融合，不占任何额外体积，无任何插损，不怕任何振动和杂物的侵入。
4、光纤光栅起着激光选频、反馈和放大的功能，从而巧妙地取代了镜片式传统光学谐振腔，从根本上解决了震动、灰尘和潮湿等引起的一系列光路需调节的烦琐问题。
5、一般的通讯光纤光栅是温度敏感的，要承受高功率激光辐射，则必须采用负膨胀材料封装光纤光栅，把温漂系数控制在0.001nm/oC以下。
泵浦系统-----侧面泵浦： 
        
1、采用杈纤直接熔接耦合进行侧泵，一无需任何光学元件，二可避免损伤光纤端面，三是容易提高泵源的注入。
2、新颖的蜈蚣式侧泵方式：光纤两侧生许多纤杈与LD尾纤直接熔接，从各个不同点进行单个泵浦，可避免强激光单点引起的非线性效应和模式恶化。
3、采用多个高功率LD单管代替LD集成阵列作泵浦源，一可提高光源的模式，二是易于泵源的散热提高寿命，三有利于维修更换。
4、采用发光面很宽的LD（100-250us）作为泵源可大大降低LD发光点所承受的光功率密度提高其寿命，一般可达100,000小时。
五、脉冲光纤激光器
    既然光纤激光器的谐振腔本身就是一段光纤，所以它不能像传统激光器那样在谐振腔内插入Q开关来实现脉冲输出，因为把光纤谐振腔（就是光纤）拦腰截断插入Q晶体，一会增大插入损耗，二会影响整个激光器的紧凑性而无法实现光纤一体化。所以如何实现光纤激光器的脉冲输出又是一个全新的研究课题。目前比较成熟的技术是采用MOPA（主振动功率放大）技术来实现。

    MO（Master Oscillator）就是主振动器，它其实就是一个功率（10-20mw）很小的激光器，一般可选用波长合适（如1064nm）的LD。小功率LD很容易通过驱动电流来直接调制输出参数，如重复频率、脉宽、脉冲波形以及功率大小，通过尾纤把光脉冲信号串联进PA(Power Amplifier)---光纤功率放大器进行光脉冲放大。光纤放大器一般只用于光纤通讯，它的原理与光纤激光器十分相似，只不过撤掉了光纤两端的光纤光栅而无法形成激光振动，只起信号放大作用。光纤放大器能严格按照MO耦合近来的种子源光进行原形放大，却不改变激光波长、重复频率、脉宽和脉冲波形。所以脉冲激光器采用MOPA方式，既可得到优良的激光特性，又能大大提高输出激光的亮度。这是传统方式所无法达到的综合效果。
    从MO出来的光脉冲通过PA放大器时，脉冲的各部位获得的增益会不同：脉冲前沿的增益按指数规律增加，脉冲后部的增益逐渐减少，脉冲后沿增益最小，尤其是如果脉冲信号光很强，或脉宽较宽时，脉冲后沿根本就得不到放大。所以在PA中一般要加上增益平坦器，使得脉冲各部位得到均匀放大（如果入射信号的能量很小或者脉冲很短，整个脉冲可得到均匀放大，而且脉冲形状保持不变）。
    激光脉冲通过放大器之后，其波形的变化与入射信号脉冲的前沿上升速度有着直接的关系。如果信号光是高斯型脉冲，因脉冲前沿上升比指数还快，所以经过放大后，脉宽可以得到压缩；如果是指数型脉冲，形状和脉宽几乎都不变化；如果输入脉冲前沿上升时间比指数函数更缓慢，则放大后其脉宽会变宽。一般为了获得高功率、窄脉宽的激光脉冲，可以在信号进入放大器之前，采用削波技术切去脉冲的缓慢上升部分，使其脉冲前沿变陡，即能达到压缩脉宽的目的。
六、中国的高功率光纤激光器
    尽管高功率光纤激的在中国的市场容量十分巨大，可是中国目前相关研究工作都相对滞后，还处在摸索的初级阶段，关键部件都需进口。同时，虽然上海光机所、长春光机所、清华大学和南开大学在该领域取得了阶段性的实验成果，但是多沿袭了传统激光理论，离国际先进水平相差甚远，更谈不上短期内实现商业化。而且都停留在连续光纤激光器方面，至于应用更为广泛的高功率脉冲光纤激光器至今尚无任何实质性进展。