光纖激光器

光纖激光器應(yīng)用范圍非常廣泛，包括激光光纖通訊、激光空間遠(yuǎn)距通訊、工業(yè)造船、汽車制造、激光雕刻激光打標(biāo)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(yī)療器械儀器設(shè)備、大型基礎(chǔ)建設(shè)，作為其他激光器的泵浦源等等。

光纖是以SiO2為基質(zhì)材料拉成的玻璃實(shí)體纖維，其導(dǎo)光原理是利用光的全反射原理，即當(dāng)光以大于臨界角的角度由折射率大的光密介質(zhì)入射到折射率小的光疏介質(zhì)時(shí)，將發(fā)生全反射，入射光全部反射到折射率大的光密介質(zhì)，折射率小的光疏介質(zhì)內(nèi)將沒有光透過。普通裸光纖一般由中心高折射率玻璃芯、中間低折射率硅玻璃包層和最外部的加強(qiáng)樹脂涂層組成。光纖按傳播光波模式可分為單模光纖和多模光纖。單模光纖的芯徑較小，只能傳播一種模式的光，其模間色散較小。多模光纖的芯徑較粗，可傳播多種模式的光，但其模間色散較大。按折射率分布的情況化分，可分為階躍折射率(SI)光纖和漸變折射率(GI)光纖。

以稀土摻雜光纖激光器為例，摻有稀土離子的光纖芯作為增益介質(zhì)，摻雜光纖固定在兩個反射鏡間構(gòu)成諧振腔，泵浦光從M1入射到光纖中，從M2輸出激光(參見右圖1)。

當(dāng)泵浦光通過光纖時(shí)，光纖中的稀土離子吸收泵浦光，其電子被激勵到較高的激發(fā)能級上，實(shí)現(xiàn)了離子數(shù)反轉(zhuǎn)。反轉(zhuǎn)后的粒子以輻射形成從高能級轉(zhuǎn)移到 基態(tài)，輸出激光。圖1的反射鏡諧振腔主要用以說明光纖激光器的原理。實(shí)際的光纖激光器可采用多種全光纖諧振腔。

圖2為采用2×2光纖耦合器構(gòu)成的光纖環(huán)路反射器及由此種反射器構(gòu)成的全光纖激光器，(a)表示將光纖耦合器兩輸出端口聯(lián)結(jié)成環(huán)，(b)表示與此光纖環(huán)等效的用分立光學(xué)元件構(gòu)成的光學(xué)系統(tǒng)，(c)表示兩只光纖環(huán)反射器串接一段摻稀土離子光纖，構(gòu)成全光纖型激光器。以摻Nd3+石英光纖激光器為例，應(yīng)用806nm波長的AlGaAs(鋁鎵砷)半導(dǎo)體激光器為泵浦源，光纖激光器的激光發(fā)射波長為1064nm，泵浦閥值約470μW。

利用2×2光纖耦合器可以構(gòu)成光纖環(huán)形激光器。如圖3(a)所示，將光纖耦合器輸入端2聯(lián)結(jié)一段稀土摻雜光纖，再將摻雜光纖聯(lián)結(jié)耦合器輸出端4而成環(huán)。泵浦光由耦合器端1注入，經(jīng)耦合器進(jìn)入光纖環(huán)而泵浦其中的稀土離子，激光在光纖環(huán)中形成并由耦合器端口3輸出。這是一種行波型激光器，光纖耦合器的耦合比越小，表示儲存在光纖環(huán)內(nèi)的能量越大，激光器的閾值也越低。典型的摻Nd3+光纖環(huán)形激光器，耦合比≤10%，利用染料激光器595nm波長的輸出進(jìn)行泵浦，產(chǎn)生1 078mn的激光，閾值為幾個毫瓦。上述光纖環(huán)形激光腔的等效分立光學(xué)元件的光路安排如圖3(b)所示。

利用光纖中稀土離子熒光譜帶寬的特點(diǎn)，在上述各種激光腔內(nèi)加入波長選擇性光學(xué)元件，如光柵等，可構(gòu)成可調(diào)諧光纖激光器，典型的摻Er3+光纖激光器在1 536和1 550nm處可調(diào)諧14nm和llnm。如 果采用特別的光纖激光腔設(shè)計(jì)，可實(shí)現(xiàn)單縱模運(yùn)轉(zhuǎn)，激光線寬可小至數(shù)十兆赫，甚至達(dá)10kHz的量級。光纖激光器在腔內(nèi)加入聲光調(diào)制器，可實(shí)現(xiàn)調(diào)Q或鎖模運(yùn)轉(zhuǎn)。調(diào)Q摻Er3+石英光纖激光器，脈沖寬度32ns，重復(fù)頻率800Hz，峰值功率可達(dá)120W。鎖模實(shí)驗(yàn)，得到光脈沖寬度2.8ps和重復(fù)頻率810MHz的結(jié)果，可望用作孤子激光源。

稀土摻雜石英光纖激光器以成熟的石英光纖工藝為基礎(chǔ)，因而損耗低和精確的參數(shù)控制均得到保證。適當(dāng)加以選擇可使光纖在泵浦波長和激射波長均工作于單模狀態(tài)，可達(dá)到高的泵浦效率，光纖的表面積與體積之比很大，散熱效果很好，因此，光纖激光器一般僅需低功率的泵浦即可實(shí)現(xiàn)連續(xù)波運(yùn)轉(zhuǎn)。光纖激光器易于與各種光纖系統(tǒng)的普通光纖實(shí)現(xiàn)高效率的接續(xù)，且柔軟、細(xì)小，因此不但在光纖通信和傳感方面，而且在醫(yī)療、計(jì)測以及儀器制造等方面都有極大的應(yīng)用價(jià)值。

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(chǔ)上開發(fā)出來：在泵浦光的作用下光纖內(nèi)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(shù)反轉(zhuǎn)”，當(dāng)適當(dāng)加入正反饋回路(構(gòu)成諧振腔)便可形成激光振蕩輸出。?

1.按照光纖材料的種類，光纖激光器可分為:

(1)晶體光纖激光器。工作物質(zhì)是激光晶體光纖，主要有紅寶石單晶光纖激光器和nd3+:YAG單晶光纖激光器等。

(2)非線性光學(xué)型光纖激光器。主要有受激喇曼散射光纖激光器和受激布里淵散射光纖激光器。

(3)稀土類摻雜光纖激光器。光纖的基質(zhì)材料是玻璃，向光纖中摻雜稀土類元素離子使之激活，而制成光纖激光器。

(4)塑料光纖激光器。向塑料光纖芯部或包層內(nèi)摻入激光染料而制成光纖激光器。

2.按增益介質(zhì)分類為:

(1)晶體光纖激光器。工作物質(zhì)是激光晶體光纖，主要有紅寶石單晶光纖激光器和Nd3+:YAG單晶光纖激光器等。

(2)非線性光學(xué)型光纖激光器。主要有受激喇曼散射光纖激光器和受激布里淵散射光纖激光器。

(3)稀土類摻雜光纖激光器。向光纖中摻雜稀土類元素離子使之激活，(Nd3+、Er3+、Yb3+、Tm3+等，基質(zhì)可以是石英玻璃、氟化鋯玻璃、單晶)而制成光纖激光器。

(4)塑料光纖激光器。向塑料光纖芯部或包層內(nèi)摻入激光染料而制成光纖激光器。

3.按諧振腔結(jié)構(gòu)分類為F-P腔、環(huán)形腔、環(huán)路反射器光纖諧振腔以及"8"字形腔、DBR光纖激光器、DFB光纖激光器等。

4.按光纖結(jié)構(gòu)分類為單包層光纖激光器、雙包層光纖激光器、光子晶體光纖激光器、特種光纖激光器。

5.按輸出激光特性分類為連續(xù)光纖激光器和脈沖光纖激光器，其中脈沖光纖激光器根據(jù)其脈沖形成原理又可分為調(diào)Q光纖激光器(脈沖寬度為ns量級)和鎖模光纖激光器(脈沖寬度為ps或fs量級)。

5.根據(jù)激光輸出波長數(shù)目可分為單波長光纖激光器和多波長光纖激光器。

7.根據(jù)激光輸出波長的可調(diào)諧特性分為可調(diào)諧單波長激光器，可調(diào)諧多波長激光器。

8.按激光輸出波長的波段分類為S-波段(1460~1530 nm)、C-波段(1530~1565 nm)、L-波段(1565~1610 nm)。

9.按照是否鎖模，可以分為:連續(xù)光激光器和鎖模激光器。通常的多波長激光器屬于連續(xù)光激光器。

10.按照鎖模器件而言，可以分為被動鎖模激光器和主動鎖模激光器。

其中被動鎖模激光器又有:

等效/假飽和吸收體:非線性旋轉(zhuǎn)鎖模激光器(8字型，NOLM和NPR)

真飽和吸收體: SESAM或者納米材料(碳納米管，石墨烯，拓?fù)浣^緣體等)。

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(yán)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，所以轉(zhuǎn)換效率較高，激光閾值低;

(4)輸出激光波長多:這是因?yàn)橄⊥岭x子能級非常豐富及其稀土離子種類之多;

(5)可調(diào)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(nèi)無光學(xué)鏡片，具有免調(diào)節(jié)、免維護(hù)、高穩(wěn)定性的優(yōu)點(diǎn)，這是傳統(tǒng)激光器無法比擬的。

(7)光纖導(dǎo)出，使得激光器能輕易勝任各種多維任意空間加工應(yīng)用，使機(jī)械系統(tǒng)的設(shè)計(jì)變得非常簡單。

(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，只需簡單的風(fēng)冷。

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

(11)高功率,商用化的光纖激光器是六千瓦。

由于光纖纖芯很小。相比于固體激光器，其單脈沖能量很小。

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(xiàn)無疑是光纖領(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(xiàn)實(shí)。自1988年E Snitzer首次描述包層泵浦光纖激光器以來，包層泵浦技術(shù)已被廣泛地應(yīng)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)，由四個層次組成:①光纖芯;②內(nèi)包層;③外包層;④保護(hù)層。將泵光耦合到內(nèi)包層(內(nèi)包層一般采用異形結(jié)構(gòu)，有橢圓形、方形、梅花形、D形及其六邊形等等),光在內(nèi)包層和外包層(一般設(shè)計(jì)為圓形) 之間來回反射,多次穿過單模纖芯被其吸收。這種結(jié)構(gòu)的光纖不要求泵光是單模激光,而且可對光纖的全長度泵浦,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(nèi),大大提高了泵浦效率。

包層泵浦技術(shù)特性決定了該類激光器有以下幾方面的突出性能。

1、高功率

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

2、無需熱電冷卻器

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

3、很寬的泵浦波長范圍

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

4、效率高

泵浦光多次橫穿過單模光纖纖芯，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其穩(wěn)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活性面的電流密度亦很低。這樣一來，泵浦二極管其可靠運(yùn)轉(zhuǎn)壽命超過100萬小時(shí)。

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

OFC-2002的一篇文獻(xiàn)采用的結(jié)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)了輸出功率為3.8W、閾值為1.7W，傾斜效率高達(dá)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，已開發(fā)出700W的摻鐿雙包層光纖激光器，并宣稱將推出2000W的光纖激光器。

脈沖光纖激光器以其優(yōu)良的光束質(zhì)量，可靠性，最長的免維護(hù)時(shí)間，最高的整體電光轉(zhuǎn)換效率，脈沖重復(fù)頻率，最小的體積，無須水冷的最簡單、最靈活的使用方式，最低的運(yùn)行費(fèi)用使其成為在高速、高精度激光標(biāo)刻方面的唯一選擇。

一套光纖激光打標(biāo)系統(tǒng)可以由一個或兩個功率為25W的光纖激光器，一個或兩個用來導(dǎo)光到工件上的掃描頭以及一臺控制掃描頭的工業(yè)電腦組成。這種設(shè)計(jì)比用一個50W激光器分束到兩個掃描頭上的方式高出達(dá)4倍以上的效率。該系統(tǒng)最大打標(biāo)范圍是175mm*295mm，光斑大小是35um，在全標(biāo)刻范圍內(nèi)絕對定位精度是+/-100um。100um工作距離時(shí)的聚焦光斑可小到15um。

光纖激光器的材料處理是基于材料吸收激光能量的部位被加熱的熱處理過程。1um左右波長的激光光能很容易被金屬、塑料及陶瓷材料吸收。

光纖激光成型或折曲是一種用于改變金屬板或硬陶瓷曲率的技術(shù)。集中加熱和快速自冷切導(dǎo)致在激光加熱區(qū)域的可塑性變形，永久性改變目標(biāo)工件的曲率。研究發(fā)現(xiàn)用激光處理的微彎曲遠(yuǎn)比其他方式具有更高的精密度，同時(shí)，這在微電子制造是一個很理想的方法。

隨著光纖激光器的功率不斷攀升，光纖激光器在工業(yè)切割方面得以被規(guī)?；瘧?yīng)用。比如:用快速斬波的連續(xù)光纖激光器微切割不銹鋼動脈管。由于它的高光束質(zhì)量，光纖激光器可以獲得非常小的聚焦直徑和由此帶來的小切縫寬度正在刷新醫(yī)療器件工業(yè)的標(biāo)準(zhǔn)。

由于其波段涵蓋了1.3μm和1.5μm兩個主要通信窗口，因此光纖激光器在光通信領(lǐng)域擁有不可替代的地位，大功率雙包層光纖激光器的研制成功使其在激光加工領(lǐng)域的市場需求也呈迅速擴(kuò)展的趨勢。光纖激光器在激光加工領(lǐng)域的范圍和所需性能具體如下:軟焊和燒結(jié):50-500W;聚合物和復(fù)合材料切割:200W-1kW;去激活:300W-1kW;快速印刷和打印:20W-1kW;金屬淬火和涂敷:2-20kW;玻璃和硅切割:500 W-2kW。此外，隨著紫外光纖光柵寫入和包層泵浦技術(shù)的發(fā)展，輸出波段在紫光、藍(lán)光、綠光、紅光及近紅外光的波長上轉(zhuǎn)換光纖激光器已可以作為實(shí)用的全固化光源而廣泛應(yīng)用于數(shù)據(jù)存儲，彩色顯示，醫(yī)學(xué)熒光診斷。遠(yuǎn)紅外波長輸出的光纖激光器由于其結(jié)構(gòu)靈巧緊湊，能量和波長可調(diào)諧等優(yōu)點(diǎn)，也在激光醫(yī)療和生物工程等領(lǐng)域得到應(yīng)用。

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(diào)諧波長范圍的擴(kuò)展方面。今天，密集波分復(fù)用(DWDM)和光時(shí)分復(fù)用技術(shù)的飛速發(fā)展及日益進(jìn)步加速和刺激著多波長光纖激光器技術(shù)、超連續(xù)光纖激光器等的進(jìn)步。同時(shí)，多波長光纖激光器和超連續(xù)光纖激光器的出現(xiàn)，則為低成本地實(shí)現(xiàn)Tb/s的DWDM或OTDM傳輸提供理想的解決方案。就其實(shí)現(xiàn)的技術(shù)途徑來看，采用EDFA放大的自發(fā)輻射、飛秒脈沖技術(shù)、超發(fā)光三極管等技術(shù)均見報(bào)道。

國內(nèi)外對于光纖激光器的研究方向和熱點(diǎn)主要集中在高功率光纖激光器、高功率光子晶體光纖激光器、窄線寬可調(diào)諧光纖激光器、多波長光纖激光器、非線性效應(yīng)光纖激光器和超短脈沖光纖激光器等幾個方面。

1962年世界上第一個GaAs半導(dǎo)體激光器問世以來，已有五十余年的歷史，半導(dǎo)體激光器已廣泛地應(yīng)用于激光通信、光盤存儲、激光檢測等領(lǐng)域。

隨著半導(dǎo)體激光器連續(xù)輸出功率的日益提高，其應(yīng)用范圍也不斷擴(kuò)大，其中大功率半導(dǎo)體激光器泵浦的固體激光器(DPSSL)是它最大的應(yīng)用領(lǐng)域之一。這一技術(shù)綜合了半導(dǎo)體激光器與固體激光器的優(yōu)點(diǎn)，不僅將半導(dǎo)體激光器的波長轉(zhuǎn)換為固體激光器的波長，而且伴隨光束質(zhì)量的改善和光譜線寬的壓縮，以及實(shí)現(xiàn)脈沖輸出等。半導(dǎo)體激光器體積小、重量輕，直接電子注入具有很高的量子效率，可以通過調(diào)整組份和控制溫度得到不同的波長與固體激光材料的吸收波長相匹配，但它本身的光束質(zhì)量較差，且兩個方向不對稱，橫模特性也不盡理想。而固體激光器的輸出光束質(zhì)量較高，有很高的時(shí)間和空間相干性，光譜線寬與光束發(fā)散角比半導(dǎo)體激光小幾個量級。對于DPSSL，是吸收波長短的高能量光子，轉(zhuǎn)化為波長較長的低能量光子，這樣總有一部分能量以無輻射躍遷的方式轉(zhuǎn)換為熱。這部分熱能量將如何從塊狀激光介質(zhì)中散發(fā)、排除成為半導(dǎo)體泵浦固體激光器的關(guān)鍵技術(shù)。為此，人們開始探索增大散熱面積的方法。

方法之一就是將激光介質(zhì)做成細(xì)長的光纖形狀。

所謂光纖激光器就是用光纖作激光介質(zhì)的激光器，1964年世界上第一代玻璃激光器就是光纖激光器。由于光纖的纖芯很細(xì)，一般的泵浦源(例如氣體放電燈)很難聚焦到芯部。所以在以后的二十余年中光纖激光器沒有得到很好的發(fā)展。隨著半導(dǎo)體激光器泵浦技術(shù)的發(fā)展，以及光纖通信蓬勃發(fā)展的需要，1987年英國南安普頓大學(xué)及美國貝爾實(shí)驗(yàn)室實(shí)驗(yàn)證明了摻鉺光纖放大器(EDFA)的可行性。它采用半導(dǎo)體激光光泵摻鉺單模光纖對光信號實(shí)現(xiàn)放大，這種EDFA已經(jīng)成為光纖通信中不可缺少的重要器件。由于要將半導(dǎo)體激光泵浦入單模光纖的纖芯(一般直徑小于10um)，要求半導(dǎo)體激光也必須為單模的，這使得單模EDFA難以實(shí)現(xiàn)高功率，報(bào)道的最高功率也就幾百毫瓦。

為了提高功率，1988年左右有人提出光泵由包層進(jìn)入。初期的設(shè)計(jì)是圓形的內(nèi)包層，但由于圓形內(nèi)包層完美的對稱性，使得泵浦吸收效率不高，直到九十年代初矩形內(nèi)包層的出現(xiàn)，使激光轉(zhuǎn)換效率提高到50%，輸出功率達(dá)到5瓦。1999年用四個45瓦的半導(dǎo)體激光器從兩端泵浦，獲得了110瓦的單模連續(xù)激光輸出。近兩年，隨著高功率半導(dǎo)體激光器泵浦技術(shù)和雙包層光纖制作工藝的發(fā)展，光纖激光器的輸出功率逐步提高，采用單根光纖，已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了1000瓦的激光輸出。

隨著光纖通信系統(tǒng)的廣泛應(yīng)用和發(fā)展，超快速光電子學(xué)、非線性光學(xué)、光傳感等各種領(lǐng)域應(yīng)用的研究已得到日益重視。其中，以光纖 作基質(zhì)的光纖激光器，在降低閾值、振蕩波長范圍、波長可調(diào)諧性能等方面，已明顯取得進(jìn)步，是光通信領(lǐng)域的新興技術(shù)，它可以用于現(xiàn)有的通信系統(tǒng)，使之支 持更高的傳輸速度，是未來高碼率密集波分復(fù)用系統(tǒng)和未來相干光通信的基礎(chǔ)。光纖激光器技術(shù)是研究的熱點(diǎn)技術(shù)之一。

光纖激光器由于其具有絕對理想的光束質(zhì)量、超高的轉(zhuǎn)換效率、完全免維護(hù)、高穩(wěn)定性以及體積小等優(yōu)點(diǎn)，對傳統(tǒng)的激光行業(yè)產(chǎn)生巨大而積極的影響。 最新市場調(diào)查顯示:光纖激光器供應(yīng)商將爭奪固體激光器及其他激光器在若干關(guān)鍵應(yīng)用領(lǐng)域的市場份額，而這些市場份額在未來幾年將穩(wěn)步看漲。到2010年，光纖激光器將至少占領(lǐng)工業(yè)激光器28億美元市場份額的四分之一。光纖激光器的銷售量將以年增幅愈35%的速度攀升，從2005年的1.4億美元增至2010年的6.8億美元。而同期，工業(yè)激光器市場每年增幅僅9%，2010年達(dá)到28億美元。

2002年南開大學(xué)報(bào)道了在摻Y(jié)b3 + 雙包層光纖器中得到了脈寬4. 8ns 的自調(diào)Q 脈沖輸出和混合調(diào)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年南開大學(xué)報(bào)道了利用脈沖泵浦獲得100kW 峰值功率的調(diào)Q 脈沖,以及得到的60nm 可調(diào)諧的調(diào)Q 脈沖。

2003年11月20日報(bào)道，上?？茖W(xué)家在激光領(lǐng)域取得新成果，成功開發(fā)出輸出功率高達(dá)107W的光纖激光器。此激光器的全稱為"高功率摻鐿雙包層光纖激光器"，與已有的激光器相比它的維護(hù)費(fèi)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(fù)責(zé)人之一樓祺洪研究員告訴記者，激光打印有著廣泛的應(yīng)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(biāo)志等，若以激光打印代替油墨打印清晰度高、永不褪色、難以仿冒、利于環(huán)保，具有國際流行的新趨勢。上海科學(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新臺階，最大輸出功率達(dá)107W，已經(jīng)遙遙領(lǐng)先于全國同行。

2004年，南開大學(xué)又報(bào)道了連續(xù)泵浦206kW峰值功率的調(diào)Q 脈沖。

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

2012年，國內(nèi)首臺擁有自主知識產(chǎn)權(quán)的1000W工業(yè)級光纖激光器在西安誕生。這一科研成果的產(chǎn)業(yè)化，不僅將滿足我國工業(yè)加工領(lǐng)域?qū)Ω吖β使饫w激光器的市場需求，同時(shí)也將打破國外高功率光纖激光器的市場壟斷局面，推動我國光纖激光加工產(chǎn)業(yè)進(jìn)一步發(fā)展。

2012年11月，華工科技旗下華工激光與銳科公司共同研制的4千瓦光纖激光器，通過了省級科技成果鑒定。鑒定專家組主任委員、中國光學(xué)學(xué)會理事長周炳琨院士指出，這項(xiàng)技術(shù)填補(bǔ)了國內(nèi)空白，達(dá)到國際先進(jìn)水平，獲得4項(xiàng)國家發(fā)明專利。[5]

光纖激光器作為第三代激光技術(shù)的代表，具有其他激光器無可比擬的技術(shù)優(yōu)越性。不過，我們認(rèn)為，在短期內(nèi)，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，最終將可能會替代掉全球大部分高功率CO2激光器和絕大部分YAG激光器。

隨著光纖制造工藝與半導(dǎo)體激光器生產(chǎn)技術(shù)的日趨成熟，以光纖為基質(zhì)的光纖激光器，在降低閾值、振蕩波長范圍、波長可調(diào)諧性能等方面取得明顯進(jìn)步，成為激光領(lǐng)域的新興技術(shù)，也是眾多熱門研究課題之一，光纖激光器采用摻稀土元素光纖作為增益介質(zhì)，泵浦光在纖芯內(nèi)形成高功率密度，造成摻雜離子能級的"粒子數(shù)反轉(zhuǎn)"，當(dāng)適當(dāng)加入正反饋回路(構(gòu)成諧振腔)時(shí)，便產(chǎn)生激光輸出。光纖激光器的應(yīng)用范圍非常廣泛，包括光纖通信、激光空間遠(yuǎn)距詢信、造船、汽車制造、激光雕刻機(jī)、激光打標(biāo)機(jī)、激光切割機(jī)、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(yī)療器械儀器設(shè)備、大型基礎(chǔ)建設(shè)等。

光纖激光器和其他激光器一樣，由能產(chǎn)生光子的工作介質(zhì)，使光子得到反饋并在工作介質(zhì)中進(jìn)行諧振放大的光學(xué)諧振腔和激勵光躍遷的泵浦源三部分組成，只不過光纖激光器的工作介質(zhì)是同時(shí)起著導(dǎo)波作用的摻雜光纖，因此，光纖激光器是一個波導(dǎo)型的諧振裝置。光纖激光器一般采用光泵浦方式，泵浦光被耦合進(jìn)入光纖，泵浦波長上的光子被介質(zhì)吸收，形成粒子數(shù)反轉(zhuǎn)，最后在光纖介質(zhì)中產(chǎn)生受激輻射而輸出激光，因此，光纖激光器實(shí)質(zhì)上是一個波長轉(zhuǎn)換器。光纖激光器的諧振腔一般由兩面和對的平面反射鏡組成，信號以波導(dǎo)的形式在腔內(nèi)傳輸。

由于光纖激光器采用的工作介質(zhì)具有光纖的形式，其特性要受到光纖渡導(dǎo)性質(zhì)的影響。進(jìn)入到光纖中的泵浦光一般具有多個模式，而信號光電可能具有多個模式，不同的泵浦模式對不同的信號模式產(chǎn)生不同的影響，使得光纖激光器和放大器的分析比較復(fù)雜，在很多情況下難以得到解析解，不得不借助于數(shù)值計(jì)算。光纖中的摻雜分布對光纖激光器也產(chǎn)生很大的影響，為了使介質(zhì)具有增益特性，將工作離子(即雜質(zhì))摻雜進(jìn)光纖。一般情況下，工作離子在纖芯中均勻分布.但不同模式的泵浦光在光纖中的分布是非均勻的。因而，為了提高泵浦效率，應(yīng)該盡量使離子分布和泵浦能量的分布相重合。在對光纖激光器進(jìn)行分析時(shí)，除了基于前面討論的激光器的一般原理，還要考慮其自身特點(diǎn)，引入不同的模型和采用特殊的分析方法，以達(dá)到最好的分析效果。

和傳統(tǒng)的固體、氣體激光器一樣，光纖激光器也是由泵浦源、增益介質(zhì)、諧振腔三個基本要素組成。泵浦源一般采用高功率半導(dǎo)體激光器，增益介質(zhì)為稀土摻雜光纖或普通非線性光纖，諧振腔可以由光纖光柵等光學(xué)反饋元件構(gòu)成各種直線型諧振腔，也可以用耦合器構(gòu)成各種環(huán)形諧振腔。泵浦光經(jīng)適當(dāng)?shù)墓鈱W(xué)系統(tǒng)耦合進(jìn)入增益光纖，增益光纖在吸收泵浦光后形成粒子數(shù)反轉(zhuǎn)或非線性增益并產(chǎn)生自發(fā)發(fā)射。所產(chǎn)生的自發(fā)發(fā)射光經(jīng)受激放大和諧振腔的選模作用后，最終形成穩(wěn)定激光輸出。

隨著研究的不斷深入,鎖模光纖激光器的種類也不斷豐富,所利用的鎖模技術(shù)也不盡相同。我們根據(jù)鎖模方式的不同可以將鎖模光纖激光器大致分為三種-一是主動鎖模,一是被動鎖模,還有混合鎖模光纖激光器。

主動鎖模光纖激光器利用的鎖模方式一般是引入外界信號使激光器腔體內(nèi)的參量達(dá)到周期性變化。其特點(diǎn)是,在腔體內(nèi)加入調(diào)制器件或注入外部光脈沖,主動調(diào)制腔內(nèi)光波以達(dá)到鎖模的目的?，F(xiàn)在普遍研究的主動鎖模光纖激光器一般有典型的基于調(diào)制器的鎖模光纖激光器、有理數(shù)諧波鎖模(RHML, Rational Harmonic Mode Lock)光纖激光器以及注入型鎖模(Injection Mode Lock)光纖激光器。

20世紀(jì)80年代中期,英國南安普頓大學(xué)的研究人員首創(chuàng)出第一臺主動鎖模光纖激器。若不考慮系統(tǒng)的穩(wěn)定性問題,1996年,日本的Yoshida等人提出了能產(chǎn)生重復(fù)頻率高達(dá)200GHz有理數(shù)諧波鎖模脈沖的激光器。2000年,H.Avramopoulos的研究小組研究出能產(chǎn)生多波長輸出的注入型主動鎖模激光器,可同時(shí)輸出10個波長的脈沖,重復(fù)頻率為30GHz,脈寬7ps[i6]。同年的OFC會議上,此小組又一次報(bào)道了他們研制的性能提高后的注入型激光器,重復(fù)頻率提高到40GHz,調(diào)諧范圍為20mn。

用主動鎖模光纖激光器產(chǎn)生的鎖模脈沖形狀對稱且重復(fù)速率高,其中心波長可調(diào)諧,也比較容易實(shí)現(xiàn)高階諧波鎖模,而且能夠直接產(chǎn)生無頻率啁嗽近似變換極限的光脈沖。然而,直接利用調(diào)制器的主動鎖模光纖激光器由于調(diào)制頻率的限制,對脈沖重復(fù)頻率的提高影響較大;另外,鎖模脈沖和其峰值功率對外界環(huán)境要求較高,外界的干擾常常會導(dǎo)致輸出脈沖波形不穩(wěn)定。激光器腔體內(nèi)偏振態(tài)起伏、腔長浮動以及超模噪聲等因素都會對激光器輸出的光脈沖產(chǎn)生影響有時(shí)為了提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性,需要增加一些額外的措施。而且,調(diào)制器的使用在腔體內(nèi)引入了附加損耗,而調(diào)制器本身是一個非光纖元器件,也使得激光器不能進(jìn)行全光纖集成。

被動鎖模光纖激光器是利用飽和吸收體、非線性光纖環(huán)形鏡(NOLM, Nonlinear Optical Loop Mirror)> 光纖的非線性偏振旋轉(zhuǎn)(NPR, Nonlinear Polarization Rotation)等方法來產(chǎn)生鎖模脈沖的。

可飽和吸收效應(yīng)早在20世紀(jì)70年代就被應(yīng)用于被動鎖模。主要是利用光脈沖在通過吸收體時(shí),其邊緣部分的損耗會大于中央部分,光脈沖被不斷窄化的原理來形成鎖模。利用的可飽和吸收材料通常是半導(dǎo)體吸收介質(zhì)(如InGaAsP等),所以這種結(jié)構(gòu)并不是全光纖結(jié)構(gòu)。利用可飽和吸收產(chǎn)生的光脈沖脈寬一般為ps級或fs級,容易實(shí)現(xiàn)光脈沖的自啟動,能夠使重復(fù)頻率達(dá)到較穩(wěn)定的狀態(tài)。非線性光纖環(huán)形鏡進(jìn)行被動鎖模,利用的是在腔內(nèi)進(jìn)行的非線性效應(yīng)的作用產(chǎn)生的光脈沖在親合器處分開,形成相反方向傳輸且幅值相同的兩個部分,由于自相位調(diào)制(SPM)和交叉相位調(diào)制(XPM)等作用,產(chǎn)生非線性相移。而由于EDFA放置不對稱,兩部分分別產(chǎn)生的相移量不同,兩部分同時(shí)再次進(jìn)入到耦合器時(shí),相干疊加后就會出現(xiàn)自幅度調(diào)制的脈沖窄化。在功能上,這種效應(yīng)與可飽和吸收體相似,有時(shí)被并稱為加成脈沖鎖模(APM)。這種光纖激光器一般采用"8"字型結(jié)構(gòu)。根據(jù)獲得相向傳輸?shù)膬墒獾姆椒ú煌?還可以分為非線性光學(xué)環(huán)形鏡(NOLM)、非線性放大環(huán)形鏡(NALM)和色散非均衡環(huán)形鏡等。

利用主動或被動方式鎖模的激光器,因?yàn)榻Y(jié)構(gòu)、元件等因素都有其相應(yīng)的缺點(diǎn)和難以解決的問題。所以,可以在同一激光器腔體內(nèi)綜合兩種以上的鎖模技術(shù)來實(shí)現(xiàn)鎖模,以得到窄脈寬,高重復(fù)頻率且輸出穩(wěn)定的孤子脈沖序列。這種類型的激光器一般采用"8"字形結(jié)構(gòu),通常是在"8"字型被動鎖模結(jié)構(gòu)的其中一臂上加入主動鎖模調(diào)制器件。

主被動混合的鎖模光纖激光器可以結(jié)合兩種鎖模激光器的優(yōu)點(diǎn),但不可避免的也遺留了一些缺點(diǎn),如因引入主動鎖模,系統(tǒng)結(jié)構(gòu)難以實(shí)現(xiàn)全光纖集成等,這些問題還需要進(jìn)一步的研究完善。