光纤激光器与光纤激光器技术

  04/13/2005,作者：苏方宁 华南理工大学材料学院光通信材料研究所

1.导言
    光纤激光器是指用掺稀土元素玻璃光纤作为增益介质的激光器，光纤激光器可在光纤放大器的基础上开发出来：在泵浦光的作用下光纤内极易形成高功率密度，造成激光工作物质的激光能级“粒子数反转”，当适当加入正反馈回路（构成谐振腔）便可形成激光振荡输出。
光纤激光器应用范围非常广泛，包括激光光纤通讯、激光空间远距通讯、工业造船、汽车制造、激光雕刻激光打标激光切割、印刷制辊、金属非金属钻孔/切割/焊接（铜焊、淬水、包层以及深度焊接）、军事国防安全、医疗器械仪器设备、大型基础建设等等。

2.光纤激光器的优势
    光纤激光器作为第三代激光技术的代表，具有以下优势：
（1）玻璃光纤制造成本低、技术成熟及其光纤的可饶性所带来的小型化、集约化优势；
（2）玻璃光纤对入射泵浦光不需要像晶体那样的严格的相位匹配，这是由于玻璃基质Stark 分裂引起的非均匀展宽造成吸收带较宽的缘故；
（3）玻璃材料具有极低的体积面积比，散热快、损耗低，所以上转换效率较高，激光阈值低；
（4）输出激光波长多：这是因为稀土离子能级非常丰富及其稀土离子种类之多；
（5）可调谐性：由于稀土离子能级宽和玻璃光纤的荧光谱较宽。
（6）由于光纤激光器的諧振腔内无光学鏡片，具有免调节、免维护、高稳定性的优点，这是传统激光器无法比拟的。
（7）光纤导出，使得激光器能轻易胜任各种多维任意空间加工应用，使机械系统的设计变得非常简单。
（8）胜任恶劣的工作环境，对灰尘、震荡、冲击、湿度、温度具有很高的容忍度。
（9）不需热电制冷和水冷，只需简单的风冷。
（10）高的电光效率：综合电光效率高达20%以上，大幅度节约工作时的耗电，节约运行成本。
（11）高功率,目前商用化的光纤激光器是六千瓦。

3.高功率的光纤激光器及其包层泵浦技术
   双包层光纤的出现无疑是光纤领域的一大突破，它使得高功率的光纤激光器和高功率的光放大器的制作成为现实。自1988年E Snitzer首次描述包层泵浦光纤激光器以来，包层泵浦技术已被广泛地应用到光纤激光器和光纤放大器等领域，成为制作高功率光纤激光器首选途径。
   包层泵浦技术，由四个层次组成:①光纤芯;②内包层;③外包层;④保护层。如图（1）所示，将泵光耦合到内包层（内包层一般采用异形结构，有椭圆形、方形、梅花形、D形及其六边形等等）,光在内包层和外包层（一般设计为圆形） 之间来回反射,多次穿过单模纤芯被其吸收。这种结构的光纤不要求泵光是单模激光,而且可对光纤的全长度泵浦,因此可选用大功率的多模激光二极管阵列作泵源,将约70%以上的泵浦能量间接地耦合到纤芯内,大大提高了泵浦效率。
包层泵浦技术特性决定了该类激光器有以下几方面的突出性能。
1、高功率
  一个多模泵浦二极管模块组可辐射出100瓦的光功率，多个多模泵浦二极管并行设置，即可允许设计出很高功率输出的光纤激光器。
2、无需热电冷却器
  这种大功率的宽面多模二极管可在很高的温度下工作，只须简单的风冷，成本低。
3、很宽的泵浦波长范围
  高功率的光纤激光器内的活性包层光纤掺杂了铒/镱稀土元素，有一个宽且又平坦的光波吸收区(930-970nm),因此，泵浦二极管不需任何类型的波长稳定装置
4、效率高
  泵浦光多次横穿过单模光纤纤芯，因此其利用率高。
5、高可靠性
  多模泵浦二极管比起单模泵浦二极管来其稳定性要高出很多。其几何上的宽面就使得激光器的断面上的光功率密度很低且通过活性面的电流密度亦很低。这样一来，泵浦二极管其可靠运转寿命超过100万小时。


  目前实现包层泵浦光纤激光器的技术概括起来可分为线形腔单端泵浦、线形腔双端泵浦、全光纤环形腔双包层光纤激光器三大类，不同特色的双包层光纤激光器可由该三种基本类型拓展得到。
OFC－2002的一篇文献采用如图2所示腔体结构，实现了输出功率为3.8W、阈值为1.7W，倾斜效率高达85%的新型包层泵浦光纤激光器[1]。在产品技术方面，美国IPG公司异军突起，已开发出700W的掺镱双包层光纤激光器，并宣称将推出2000W的光纤激光器。


4.新型的光纤激光器技术
   早期对激光器的研制主要集中在研究短脉冲的输出和可调谐波长范围的扩展方面。今天，密集波分复用(DWDM)和光时分复用技术的飞速发展及日益进步加速和刺激着多波长光纤激光器技术、超连续光纤激光器等的进步。同时，多波长光纤激光器和超连续光纤激光器的出现，则为低成本地实现Tb/s的DWDM或OTDM传输提供理想的解决方案。就其实现的技术途径来看，采用EDFA放大的自发辐射、飞秒脉冲技术、超发光二极管等技术均见报道。

5.我国光纤激光器目前研究进展
  2002年南开大学报道了在掺Yb3 + 双包层光纤器中得到了脉宽4. 8ns 的自调Q 脉冲输出和混合调Q 双包层光纤激光中得到峰值功率大于8kW ,脉宽小于2ns 的脉冲输出。
  2003年南开大学报道了利用脉冲泵浦获得100kW 峰值功率的调Q 脉冲,以及得到的60nm 可调谐的调Q 脉冲。
  2003年11月20日报道，上海科学家在激光领域取得新成果，成功开发出输出功率高达107W的光纤激光器。此激光器的全称为“高功率掺镱双包层光纤激光器”，与目前已有的激光器相比它的维护费用和功率消耗都要低得多，寿命是普通激光器的几十倍。该课题组的负责人之一楼祺洪研究员告诉记者，激光打印有着广泛的应用前景，与市民生活直接相关的如食品的生产日期、防伪标志等，若以激光打印代替现在的油墨打印清晰度高、永不褪色、难以仿冒、利于环保，具有国际流行的新趋势。上海科学家研制的光纤激光器使光纤激光输出功率又上升了一个新台阶，最大输出功率达107W，已经遥遥领先于全国同行。
  2004年，南开大学又报道了连续泵浦206kW峰值功率的调Q 脉冲。
  2004年12月3日，烽火通信报道，继推出激光输出功率达100W以上的双包层掺镱光纤后，经过艰苦的攻关再创佳绩，将该类新型光纤的输出功率成功提高至440W，达到国际领先水平。这是烽火通信在特种光纤领域迈出的重要一步，同时也是我国在高功率激光器用光纤领域的重大突破。掺镱双包层光纤激光器是国际上新近发展的一种新型高功率激光器件，由于其具有光束质量好、效率高、易于散热和易于实现高功率等特点，近年来发展迅速，并已成为高精度激光加工、激光雷达系统、光通信及目标指示等领域中相干光源的重要候选者。双包层掺镱激光器的主要激光增益介质是双包层掺镱光纤，因此双包层掺镱光纤的性能直接决定了该类激光器的转换效率和输出功率。烽火通信作为国内唯一一家进行双包层掺镱光纤研究的单位，在成功推出输出功率达100W以上的完全可商用的双包层掺镱光纤产品后，又加大的研发力度，使得其输出功率实现440W以上，达到国际领先水平。

6.结论
  光纤激光器作为第三代激光技术的代表，具有其他激光器无可比拟的技术优越性。不过，我们认为，在短期内，光纤激光器将主要聚焦在高端用途上随光纤激光器的普及，成本的降低以及产能的提高，最终将可能会替代掉全球大部分高功率 CO2激光器和绝大部分YAG激光器。