近几年 ,光纤激光器因其具有优异的光束质量 、非常高的功率和功率密度 、易于冷却 、高的稳定性和可靠性等多方面的优点引起了研究人员和应用者日益浓厚的兴趣 , 已经在和将在通信 、医疗 、军事等领域大展身手 ,并在多种应用场合取代目前常用的气体和固体激光器 。光纤激光产品的出现以及性能的不断改善 , 必将加快激光在各种领域的应用 ,从而提高工业生产水平和人们的生活质量 。 1 光纤激光器的基本原理和结构裤带蛇
1.1 光纤激光器的原理
在光纤纤芯中掺入稀土离子 , 泵浦光通过光纤时 ,纤芯中的稀土离子吸收泵浦光 ,跃迁到激光上能级 ,产生粒子数反转 。反转后的粒子在 自发辐射光子或者特别注入的光子诱导下以受激辐射跃迁到激光下能级 , 同时发射出与诱导光子相同的光子 ,这样的过程雪崩般发生 , 于是发射 出激光 。这就是光纤激光器的基本原理 。选择在中掺稀土离子构成光纤激光器 , 部分原因就是稀土离子的吸收范围正好与半导体激光器的辐射围重合 , 因而能方便地采用成本低廉的、工艺成熟的半导体激光器作为泵浦光源 。
1. 2 光纤激光器的结构
光纤激光器的基本结构 由增益介质，谐振腔与泵浦源组成 , 如图 1 所示 。增益介质为掺有稀土离子的光纤芯 , 掺杂光纤放置在两个反射率经过选择的腔镜之间 , 泵浦光从光纤激光器的左边腔镜耦合进入光纤 , 经准直光学系统和滤波到输出激光 。从理论上来说 , 只有泵浦源和增益较多光纤是构成光纤激光器的必须组件 , 而谐振腔并非必不可缺的组件 。谐振腔的选模和增加增益介质长度的作用在光纤激光器中是可以不用的, 因长光纤本身可以非常长 , 从而获得很高的单程增益 ,而光纤的波导效应又可 以起到选模的作用。但实际应用中人们一般希望使用较短光纤 , 所以多数情况下采用谐振腔 , 以引入反馈 。
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电热恒温鼓风干燥机图 2 为两种光纤激光器腔型结构图。 a 为
常见的 F - P 腔结构 ;
废钯碳回收钯技术( b ) 为利用 WDM (wavelength
- division multip lexing) 耦合器来构成的腔型 。将两根或多根除去涂覆层的光纤以一定的方式靠拢 ,在高温下熔融 , 同时向两侧拉伸 , 最终在加热区形成双锥体形式的特殊波导结构 , 实现传输功率的耦合 。WDM 耦合器的不同连接方式又可以形成不同的腔型 。WDM 耦合器在光通信中使用
F - P 腔结构
1. 3 光纤激光器的分类
光纤激光器种类繁多 , 按照不同的标准可以分成若干种类 ,具体分类如表 1所示 。
2 光纤激光器的发展历程
虽然光纤激光器在最近几年成为研究和关注的热点 ,但光纤激光器并非新生事物 。就在激光器诞生后 的第二年 即 196 1 年 , 美 国光学公司(Ametican Op tical Corporation ) 的 E. Snitzer 采用灯 耦合器 、隔离器和光束组合器等光纤器件 。1998 (μ)μ 年 , Kosinki和 Inniss 报道了一种 内包层截面形状的光纤 (纤芯材料 是掺 N d3 + 钡 冕玻璃 ( barium 为星形的掺 Yb 双包层光纤激光器 ,得到了 20W
crown glass) , 包层是苏打 - 石灰 - 硅酸盐材料 ) , 的激光输出[ 14 ] 。1999 年 V. Dom inic 等人报道了C. J. Koester 和 E. Snitzer又发表了多组份玻璃光纤中的光放大结果[2 ] 。不久以后 , 光纤激光器被用于光学信息处理方面的工作[3 ] , 但 由于当时条件的限制 ,此后光纤激光器的发展基本停滞不前 。高锟和 Hockham 在 1966 年首先讨论了利用光纤作为通讯介质的可能性[4 ] 。此后光纤在通信领域得到较快发展 。经历了研究开发阶段 ( 1966～1976 ) 、实用化阶段 ( 1977 ～1986 ) 后迅速进入发展阶段即 1986 年以后的大规模光纤通信建设阶段 。由于光通信的迅猛发展 , 光纤制造工艺与半导体激光器生产技术 日趋成熟 , 基于石英光纤的定向耦合器这样的重要器件也成功制作 , 这一切为光纤激光器和放大器的发展奠定了坚实的基础 。到 20 世纪 80 年代中期 , 世界各地的许多研究组开始进行光纤激光器的研究 。从此 , 光纤激光器取得了长足的发展 。19 85 年英国南安普敦大学的研究组取得突出成绩 。他们用 MCVD 方法制作成功单模光纤激光器 , 此后他们先后报道了光纤激光器的调 Q 、锁模 、单纵模输出以及光纤放
大方面 的研究工作 。英 国通信研究实验室 (BTRL ) 于 1987 年展示了用各种定向耦合器制作
的精巧的光纤激光器装置 , 同时在增益和激发态吸收等研究领域中也做了大量的基础工作 , 在用氟化锆光纤激光器获得各种波长的激光输出谱线方面做了开拓性的工作 。世界上还有很多研究机构活跃在这个研究领域 , 如德国汉堡技术大日本的 N TT、Hoys、三菱 ,美国的 Polariod Copration , 贝尔实验室 ,斯坦福大学和 GTE 等。
1988 年 , E. Snitzer 等提出了双包层光纤 , 而使一直被认为只能是小功率器件的光纤激光器可以向高功率方 向突破 。19 89 年则又掀起 了锁模光纤激光器的研究热潮 , 这类激光器能产生超短脉冲 ,并在超快现象 、光纤通信和光纤传感 测距等方面有应用价值1994 年 , H. M. Pask 等人首先在掺 Yb3 + 石英光纤中实现了包层抽运 ,得到了最大 500mW 的激光输出,斜率效率达到 80 % [ 13 ] 。此后出现了高功率用有源光纤 、传输光纤 、光纤反射镜 、滤波器 、耦合器 、隔离器和光束组合器等光纤器件 。1998年 , Kosinki和 Inniss 报道了一种 内包层截面形状为星形的掺 Yb 双包层光纤激光器 ,得到了 20W的激光输出[ 14 ] 。1999 年 V. Dom inic 等人报道了高功率掺 Yb3 + 双包层光纤激光器的研究结果 , 他们用 4 个 4 5W 的半导体激光二极管阵列组成总功率为 180W 的泵浦源 , 在波长 1 120 nm 处得到110W 的激光输出进入 2 1世纪后 ,高功率双包层光纤激光器的发展突飞猛进 , 最高输出功率记录在短时间内接连被打破 , 目前单纤输 出功率 连续 已达到 2 000W 以上 。I
PG ( photonics) 公司凭借在 2000 年获得的 1亿美元的风险投资异军突起 , 展示了各式光纤激光器和放大器 : S、C、L 波段的各种光纤放大器 、高功率的 EDFA 、拉曼光纤激光器和双波长拉曼光纤激光器 。它推出一系列的掺 Yb 高功率光纤激光器 , 现在输出功率有直到 50 kW 的产品可供选择 。英国的 SP I、德国的 IPHT 也有极高的研发和制造水平 , 它们也加入到新产品的市场竞争中来 。现在已经有多台千瓦级光纤激光器在美国、欧洲 、亚洲投入到工业加工或科学研究中。国内从 20 世纪 80 年代开始这个领域的工作 ,如上海光机所 、清华大学、华中科技大学、中国科学技术大学 、天津大学以及邮电部和电子部所属的一些研究单位 ,在光纤激光器 、放大器和相关器件的研究中都取得了一定的进展国内掺 Yb3 + 双包层光纤激光器的研究起步较晚。南开大学开展掺镱双包层光纤激光器的研究工作 ,并取得了一系列的科研成果 ,特别是在双包层光纤光栅方面取得了开创性成果。上海光学精密机械研究所则在光纤激光器研制方面开展了许多重要的工作 ,经过对抽运光的整形 , 大大提高了耦合效率 , 报道了百瓦量级的掺镱双包层实现 了高达 70 % 的光 - 光转换效率。2005 年 ,烽火通信科技股份有限公司与上海光机所楼棋洪研究员等合作 , 成功研制出功率高达 440W 的掺镱双包层光纤激光器[20 ] , 其中双包层掺镱光纤由烽火公司拉制 。最近 , 他们采用烽火公司的大模场面积双包层光纤 , 又将功率值提升到 7 14W 。中国兵
器装备研究院报道单纤功率突破 1kW 。但总的来说 , 国内研究滞后国外几年时间 ,关键性制约因素是缺乏 自主研制光纤制作设备和开发高功率泵浦半导体激光器的能力 。
3 光纤激光器的优越性
光纤激光器成为研究热点和应用宠儿当然是由于它具有多种优越性能 。
( 1) 它具有高的光束质量 ,可以轻易接近衍射极限,M 2 常常可以接近于 1。由于光束产生限制在细小的纤芯中,事实上这意味着它非常直 , 并且能被聚焦成极小的点 , 因而在打标 、切割等应用中效率极高 。
( 2 ) 它能达到非常高的功率和功率密度 。光纤激光器的功率还在不停地被提高 。前面已经指出,现在已经制造了单纤功率超过 1kW 的光纤激光器 ,可以期待不用太久就会出现单纤功率达到10 kW 的光纤激光器 。而光纤束集成的光纤激光器现在已经有 50 kW 的产品在销售 , 可以预计 , 光输出功率再提高 10 倍到 500 kW 也是可能的。由于其在高功率的同时具有很好的光束质量 , 所以可以获得非常高的功率密度 。
( 3 ) 它非常高效并且容易冷却 。光纤激光器一般可将 70 % ～80 % 的进入光纤的泵浦能
量转换为输出激光 。这可以更好地节能 , 同时这也意味着光纤激光器只有很少能量被转化为热 。所以即使千瓦级的光纤激光器也只需简单可靠的风冷就足够了。同时 ,细长的光纤具有很高的表面积 /体积比,产生的热量沿着光纤长度分布 ,这样散热 很快 ,损耗小 , 因此带来一个额外的好处是泵浦阈值功率也相当低如掺 Yb 光纤激光器的泵浦阈值功率可低至 10 - 4 W 量级[23 ] ) 。对于四能级系统 ,泵浦阈值的降低也许不太重要 ,而对于三能级系统 ,需要较高的泵浦光强度来达到阈值 , 如果采用体材料增益介质 , 则唯有较大泵浦功率才能激射 ;采用光纤结构就可利用很小的泵浦功率来获得激光输出。
( 4 ) 光纤激光器具有极佳的稳定性 、可靠性 。通常传输光束需要借助于光纤的柔绕性质将它转移到目的地 如用于内脏系统的激光医疗激光耦合需要极为精确的调校 。所以常规激光器对碰撞 、震动等非常敏感 , 一旦光路失准 , 就会失效 。而光纤激光器本身就是光纤结构 , 十分便于使用 。同时这种波导结构与标准通信光纤和现有的光纤器件如耦合器 、偏振控制器 、调制器和滤波器等完全兼容 , 并且具有极小的插入损耗 (可做到小于 0. 0 1dB ) , 故可以制作出完全由光纤器件组成的全光纤传输系统 , 不必经过光电转换可直接对光信号进行放大和处理 , 利于实现超长距离超高速度的信号传输 。其高度稳定性带来的好处之一就是使用寿命极长 可达十万小时以上基本上其使用寿命只受限于泵浦半导体激光器 , 维
护方便 ,甚至实际上是不需要维护的。
编织袋折边器4 光纤激光器的发展趋势
类似于块状介质固体激光器 , 光纤激光器的研究正朝超快 、单频 、超高平均和 /或峰值功率 、超连续等极限方向发展 , 另外还需要扩展新的激光波段 ,拓宽激光器的可调谐范围 ,而光纤激光器系统则还需要继续小型化 、智能化 。目前尤以高功率双包层光纤激光器的研究为焦点 。光纤激光器的发展呈现出以下四大趋势 :
( 1) 单根光纤激光的连续波输出功率从百瓦量级 、千瓦量级向万瓦量级发展 ,在保持光束质量不变差的前提下大大提升单根光纤激光的输出功率 ,将是高功率光纤激光发展的主要研究内容之一 。2004 年南安普顿大学报道了 1. 36 kW 连续波光纤激光器 , 斜率效率为 83 % , 光束质量因子M 2 为 1. 4[24 ] ,并预言通过对掺杂光纤更先进的设计和采用更高功率的泵浦源 , 单根光纤的输出功率有可能提高到近万瓦 。
( 2 ) 从高功率连续光纤激光向高平均功率 、高峰值功率的脉冲光纤激光器发展 。在许多应用中, 由于连续工作的光纤激光能提供的靶面功率密度较低而不能满足要求 , 脉冲工作的
光纤激光则能提供更高的功率密度 , 从而能满足需求 。双包层光纤激光器实现脉冲激光输出, 大体上有三种方式 : ①调 Q 光纤激光器 , 一般是通过在腔 内放置声光调 Q 元件或熔结一段常规光纤 , 利用普通光纤中的受激布里渊散射 ( SB S) 来实现脉冲激光输出; ②锁模光纤激光器 ,利用光纤中非线性偏振旋转采用环形腔结构实现脉冲锁模的光纤激光输出; ③采用基于种子激光振荡放大 MOPA 而 脉冲光纤激光器 。在此方式中,将高光束质量 、小功率的激光器作为种子光源 , 双包层光纤作为放大器 ,容易获得高平均功率 、高脉冲能量的脉冲激光输出,是 目前的研究热点 。根据所用种子光源的不同,可实现窄线宽、皮秒和飞秒的脉冲激光的
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