国内窄线宽光纤激光器取得新突破

飞米激光技术有限公司
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    7/5/2010,光纤激光器由于抽运阈值功率低、转换效率高、散热好、可调谐范围宽、耦合效率高（与现有光纤通信系统和光纤传感系统完全兼容）、结构紧凑等优点，成为当前激光领域研究的焦点。根据美国著名激光行业期刊《Laser Focus World》的预测，光纤激光器的需求将按每年20％以上的速度递增，到2020年光纤激光器将占整个激光器市场份额的50％以上。据统计，2008年全世界激光产品的销售额已经突破100亿美元，预计未来5年有几百亿甚至上千亿美元的光纤激光产品的市场现实需求及难以估计的市场需求潜力。光纤激光器在经济建设和国防军事发展等方面将逐步占据主导地位。

                      图1 基于频率调制和光波相干原理的探测
    在光纤激光器中，具有极窄输出线宽的单频光纤激光器是激光器发展的重要方向之一。单纵模窄线宽光纤激光器是指激光以腔内振动单一纵模的形式输出，其特征是激光光谱线宽非常狭窄，最高可达到10-8 nm，比现有窄线宽DFB激光器的线宽还要窄两个数量级，比目前光通信网络中DWDM信号光源的线宽要窄5～6个数量级。窄线宽单纵模光纤激光器可以保证激光具有极好的相干特性，其相干长度可达数百公里。窄线宽光纤激光器可望在超高精度和超远距离激光测距、光纤传感及光纤通信领域具有极其广泛的应用前景：
    （1）目前大多数激光测距仪是基于脉冲激光的光时域反射原理，即通过测量激光脉冲发射和经目标反射回接收器的时间差进行测距，这种测量的精度一般为1-10米，测量距离（军用）仅有10-20公里。这主要受限于激光的脉冲宽度，激光脉冲越短，测量精度就越高，但同时激光线宽也大大增加，增大了探测的噪声，迅速降低了动态探测距离。如果利用单纵模光纤激光器作为探测光源，基于频率调制连续波技术和光波相干原理，则能实现几百公里、精度小于1米的探测。
    （2）对于光纤传感，同样可以利用频率调制连续波技术和光波相干原理，实现超高精度、超远距离以及微弱信号的测量。如图1所示，单纵模窄线宽光纤激光的一部分被耦合进一个有固定反射率的参考臂中，该参考臂充当本地振荡器（LO），另一根光纤充当传感光纤。从传感光纤反射回来的激光与来自本地振荡器的参考光一起混频产生一个光拍频，该拍频与它经历的时间延迟差相对应，传感光纤上远处的信息就可以通过测量拍频来获取。利用这种技术进行探测，可实现敏感度-100dB（百亿分之一）的信号测量。基于单纵模窄线宽光纤激光器的光纤传感技术，可广泛应用于石油天然气管道的泄漏监测（全球现有500万公里石油天然气管道，目前依靠人工巡逻的方式进行监测）、电力系统的输电损耗监测（由于当前的高压线路缺乏精确的温度压力探测，每年损失电能上千亿美元）、核电站的安全监测（未来主要能源之一）、油井的温度和压力实时监控等。
    （3）另外，在光纤通信中，目前商用光源的激光线宽为0.2 nm（20 dB），尽管DWDM技术的应用大大提高了信息传输的信道数，但由于信号光源激光线宽的限制，其在C波段也仅有80信道。为了适应当前和未来社会对于海量信息传输和处理的要求，需要不断拓展光纤的带宽（如，当前世界各国正在研究的超宽带（S+C+L）光传输技术）。利用单纵模窄线宽光纤激光器作为通信光源，为我们解决该问题提供了另一种技术途径。单纵模窄线宽光纤激光的线宽仅为目前商用通信光源线宽的十万分之一，这可以大大减少信道的宽度和信道之间的间距，仅在C波段就可以将光纤通信的信道数提高几个数量级，此外，该激光器极窄的线宽减小了传输过程中光纤的色散，更有利于远距离传输。
    窄线宽光纤激光器巨大的潜在市场和广阔的应用前景引起了世界各国的广泛关注，美国、英国、丹麦、加拿大、澳大利亚、德国等西方发达国家相继投入了大量人、财、物力开展了大量研究工作。2005年，美国某一公司推出了基于新型光纤材料的窄线宽光纤激光器，其输出功率可达几百毫瓦，是当时最好的窄线宽光纤激光器输出功率的上百倍。2008年，华南理工大学光通信材料研究主持的市科技攻关计划重点项目“单纵模光纤激光器的研制”取得重要突破，成功研制出输出功率大于230 mW、输出线宽小于2 kHz的单频窄线宽光纤激光器，该研究成果的关键技术被刘颂豪院士为组长的鉴定专家组鉴定为国际领先水平。由于高性能单纵模窄线宽光纤激光器在军事等敏感领域有着广阔的应用需求，国外在核心技术和核心材料方面对我国实行禁运，产品进口受到限制，研究研制并建设发展具有我国自主知识产权的单纵模、窄线宽光纤激光器及设备生产线具有极其重要的意义。
    2010年3月，深圳市飞米激光技术有限公司与华南理工大学进行技术项目合作，把科研成果转化成实际生产力，正式推出了属于中国人自己的窄线宽光纤激光器，填补了中国在该领域的空白。