全光纖激光器3全光纖激光器的應(yīng)用

大功率全光纖激光器的一系列優(yōu)點(diǎn)使之在工業(yè)加工、材料處理、生物醫(yī)學(xué)、國(guó)防軍工等領(lǐng)域展現(xiàn)出巨大的應(yīng)用前景。

在通訊領(lǐng)域，光纖激光器的發(fā)展推動(dòng)了全光通訊網(wǎng)絡(luò)的發(fā)展。隨著信息需求量的迅速增長(zhǎng), 光纖通信傳輸速率已經(jīng)從每秒幾十兆比特發(fā)展到每秒太比特以上，這對(duì)光纖激光放大器提出了越來越高的要求。摻鉺光纖激光器雖然能夠提供處于兩個(gè)低損耗通訊窗口 1.30μm 和 1.55μm 波段的激光，但摻鉺光纖放大器因?yàn)橐蕾囉趩文＜す舛O管泵浦而使輸出功率比較小，越來越難以滿足對(duì)多波長(zhǎng)信號(hào)放大的要求。喇曼光纖放大器可以工作在光通信窗口的任意波長(zhǎng)處, 但喇曼光纖放大器需要單模高亮度的泵浦光。而雙包層摻鐿光纖激光器使用包層抽運(yùn)技術(shù)將幾個(gè)激光二極管的多模激光轉(zhuǎn)變?yōu)閱文８吡炼鹊谋闷止馐?，解決了拉曼光纖放大器的泵浦源問題，使喇曼光纖放大器為光信號(hào)在線大功率放大成為可能。

在工業(yè)加工方面，利用激光與物質(zhì)相互作用的特性對(duì)材料進(jìn)行切割、焊接、表面處理、打孔及微加工等造就了大功率激光器市場(chǎng)最廣闊的應(yīng)用前景。與機(jī)械加工相比，激光加工具有加工對(duì)象廣、非接觸加工、公害小、速度快、可自動(dòng)控制等優(yōu)點(diǎn)，因而有“未來制造系統(tǒng)的共同加工手段”之譽(yù)。隨著光纖激光技術(shù)的快速發(fā)展，光纖激光器不僅輸出功率迅速提高，而且在電光效率、光束質(zhì)量、運(yùn)行成本、壽命等許多方面都表現(xiàn)出明顯的優(yōu)勢(shì)，這使得光纖激光器已成為目前世界上最受關(guān)注的激光器之一。IPG 的商用化的光纖激光器連續(xù)輸出功率已上升至萬瓦量級(jí)，已被應(yīng)用于工業(yè)生產(chǎn)和國(guó)防研究之中。2008 年，美國(guó)海軍從IPG訂購(gòu) 8 臺(tái) 5kW 的光纖激光器用于軍事研究。同年 7 月，德國(guó)購(gòu)買 IPG 16 臺(tái)千瓦級(jí)連續(xù)光纖激光器，總功率 63kW，用于一條新的車門焊接生產(chǎn)線。工作波長(zhǎng)在 1060-1200 nm 的摻鐿大功率光纖激光器以極高的效率和功率使其在工業(yè)加工方面具有代替其它激光器的巨大應(yīng)用前景。

在激光打標(biāo)領(lǐng)域，光纖激光器較高的光束質(zhì)量和定位精度使之取代效率不高的 CO2 激光器和閃光燈泵浦的 Nd:YAG 脈沖激光打標(biāo)系統(tǒng)，用于集成電路和半導(dǎo)體芯片打標(biāo)系統(tǒng)。此外，光纖激光器也常用于塑料和金屬打標(biāo)。

國(guó)防軍事領(lǐng)域需要高功率、光束質(zhì)量好的激光器來制作激光武器。光纖激光器對(duì)工作環(huán)境要求低、結(jié)構(gòu)緊湊、輸出臂機(jī)動(dòng)靈活等特點(diǎn)，使之能有效用于飛機(jī)、車輛等多種平臺(tái)，是高能激光武器最具前景的發(fā)展方向。高功率光纖激光器的光功率密度可達(dá)到 MW/cm量級(jí)，輸出能量高度集中，足以摧毀任何堅(jiān)固的目標(biāo)。大功率光纖激光器還可作為防御武器使用，如美國(guó)軍方在 2002 年就使用 IPG 生產(chǎn)的 2000 W 光纖激光器，在阿富汗成功執(zhí)行掃雷任務(wù)。美國(guó)在 2010 年的一次秘密軍事試驗(yàn)中，首次使用艦載大功率光纖激光器發(fā)射強(qiáng)激光束，在距離約為 2英里遠(yuǎn)處擊中時(shí)速 300 英里的無人機(jī)。

在醫(yī)療方面，許多內(nèi)外科手術(shù)中用光纖激光作手術(shù)刀。大功率光纖激光器用于手術(shù)，使組織脫落和光致凝結(jié)手術(shù)的時(shí)間大大縮短。在眼科手術(shù)中，連續(xù)摻銩光纖激光器能使角膜成形手術(shù)的成功率更高，還可以治療遠(yuǎn)視、近視等眼科疾病。由于光纖的柔韌性和光纖激光器光束質(zhì)量好，在心血管手術(shù)中可使光纖進(jìn)入人體內(nèi)排除腫瘤或各種血管淤積物。在整形美容手術(shù)中，2μm 波長(zhǎng)光纖激光器在治療皮膚癌和去紋身方面也取得了良好效果。此外，功率為幾瓦的摻銩光纖激光器能為外科手術(shù)提供較大的高能輻射，在顯微外科手術(shù)中扮演了重要角色，而且在紅外保健方面也有應(yīng)用。

大功率光纖激光器應(yīng)用于石油礦產(chǎn)領(lǐng)域，在建井和完井作業(yè)中發(fā)揮出色作用。光纖激光器通過光纖向井下提供所需要的能量，與常規(guī)工業(yè)激光器相比，工作效率更高、光束質(zhì)量更好、機(jī)動(dòng)性更強(qiáng)，在使用壽命期間基本上不用維修。2003 年，美國(guó)天然氣技術(shù)研究所(GTI) 使用 5.34 kW 大功率激光器進(jìn)行的井下射孔實(shí)驗(yàn)表明，大功率光纖激光器因具有較高光束質(zhì)量使其能夠破碎任何巖石，因而在此應(yīng)用領(lǐng)域體現(xiàn)出其巨大優(yōu)勢(shì)。

激光的應(yīng)用被稱為是人類使用工具的第三次飛躍，而光纖激光技術(shù)的成熟使得大功率光纖激光器從實(shí)驗(yàn)室真正進(jìn)入大規(guī)模工業(yè)應(yīng)用。在能源日益短缺的時(shí)代，大功率光纖激光器較高的電光轉(zhuǎn)換效率使其可以大幅度減少能耗，在節(jié)約資源等方面做出越來越多的貢獻(xiàn)。光纖激光器已經(jīng)或正在許多應(yīng)用領(lǐng)域替代化學(xué)、氣體和普通固體激光器，對(duì)激光器市場(chǎng)產(chǎn)生了革命性的改變，也是未來激光器發(fā)展的必然趨勢(shì)，是“激光產(chǎn)業(yè)的新寵兒”，被譽(yù)為“第三代激光器”，具有廣闊的應(yīng)用大功率全光纖激光器及其關(guān)鍵器件技術(shù)研究前景。

激光諧振腔由包含摻雜稀土離子的雙包層增益光纖和一對(duì)熔接在增益光纖兩端的光纖光柵組成。其中，一個(gè)具有高反射率(R>99%)光纖光柵為激光器的高反射腔鏡，另一個(gè) R≈10%的低反射率光纖光柵構(gòu)成諧振腔的輸出腔鏡。分別將一個(gè) N×1 型和一個(gè)(N 1)×1 型多模泵浦耦合器的輸出端與高、低反射率光纖光柵熔接，并將泵浦輸入光纖與大功率半導(dǎo)體泵浦模塊的輸出尾纖熔接在一起，就使大功率泵浦光直接耦合進(jìn)入雙包層增益光纖。其中，(N 1)×1 型多模泵浦耦合器包含有一根信號(hào)激光輸出光纖，通常會(huì)在輸出光纖端面制作端帽以避免被大功率輸出激光損傷。

與傳統(tǒng)的激光器相比，全光纖激光器具有以下優(yōu)點(diǎn)：

（1）全光纖激光器結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、體積小巧、重量輕，光纖輸出特點(diǎn)在實(shí)際應(yīng)用更為靈活方便。全光纖結(jié)構(gòu)借助光纖耦合器，將泵浦源的尾纖與增益光纖熔接為一體，避免了用二色鏡和透鏡組提供激光反饋帶來的損耗，從而簡(jiǎn)化了激光器的結(jié)構(gòu)，降低了激光器的閾值，提高了激光轉(zhuǎn)換的效率，使激光器的結(jié)構(gòu)更加緊湊穩(wěn)定、性價(jià)比高，并且可在高沖擊、高震動(dòng)、高溫度、有灰塵等惡劣的環(huán)境下正常運(yùn)轉(zhuǎn)。

（2）易于實(shí)現(xiàn)較高的轉(zhuǎn)換效率和高功率輸出。由于雙包層光纖內(nèi)包層的橫截面尺寸和數(shù)值孔徑都比較大，半導(dǎo)體泵浦光在光束整形后，可以高效地耦合進(jìn)入光纖內(nèi)包層。因此，通過設(shè)計(jì)合適的內(nèi)包層參數(shù)和形狀，再選擇發(fā)射波長(zhǎng)和光纖吸收特性都與增益光纖相匹配的半導(dǎo)體激光器為泵浦源，可使基于雙包層增益光纖的全光纖激光器實(shí)現(xiàn)高效率、大功率的激光輸出。

（3）優(yōu)良的散熱性能。傳統(tǒng)的固體激光器由于激光介質(zhì)的熱效應(yīng)會(huì)使光束質(zhì)量及效率下降，因而難于實(shí)現(xiàn)較高功率的激光輸出，為此，激光器在運(yùn)行過程中需要有效的散熱系統(tǒng)對(duì)激光介質(zhì)進(jìn)行冷卻。而增益光纖具有很高的“表面積/體積”比（約為傳統(tǒng)的固體激光器增益介質(zhì)的 1000 倍以上），使全光纖激光系統(tǒng)具有良好的散熱效果，并可在溫度為-20℃~ 70℃的環(huán)境中工作。

（4）高輸出激光光束質(zhì)量。大模場(chǎng)雙包層光纖的纖芯一般有較小的歸一化頻率 V（與纖芯直徑 d 和數(shù)值孔徑 NA 有關(guān)），是基模和少數(shù)高階模傳輸?shù)牟▽?dǎo)，波導(dǎo)結(jié)構(gòu)不會(huì)因受熱而有較大變化。并且，基于大模場(chǎng)雙包層增益光纖的全光纖激光器一般采用盤繞增益光纖的方法來使高階模有較大的損耗，使激光器運(yùn)行在單模輸出狀態(tài)。此外，光纖光柵具有較窄的反射譜、較好的波長(zhǎng)選擇特性和低損耗特性。使用光纖光柵作全光纖激光器的諧振腔鏡，使激光器具有較高的信噪比和較窄的線寬，因而獲得較為理想的光束質(zhì)量。

（5）可設(shè)計(jì)激光器在很寬光譜范圍內(nèi)（455nm-3500nm）運(yùn)行，并能實(shí)現(xiàn)可調(diào)諧輸出。相當(dāng)多的可調(diào)諧參數(shù)和選擇性使光纖激光器能在很寬的光譜范圍內(nèi)設(shè)計(jì)和運(yùn)行，并可實(shí)現(xiàn)較寬范圍內(nèi)的波長(zhǎng)調(diào)諧，具有很好的單色性和穩(wěn)定性。

大功率光纖激光器主要有兩種諧振腔結(jié)構(gòu)：一種是傳統(tǒng)光學(xué)諧振腔，使用塊狀光學(xué)元件構(gòu)成空間耦合諧振腔鏡并實(shí)現(xiàn)泵浦耦合；另一種是采用全光纖元件的全光纖激光諧振腔。這兩種結(jié)構(gòu)的光纖激光器都采用摻稀土離子的光纖為增益介質(zhì)。

其中，空間耦合結(jié)構(gòu)的諧振腔與傳統(tǒng)固體激光器諧振腔相同，兩塊鍍膜鏡片起著正反饋、選模和輸出耦合的作用，它們構(gòu)成激光諧振腔的反射大功率全光纖激光器及其關(guān)鍵器件技術(shù)研究 腔鏡。這種空間耦合的激光器在實(shí)際應(yīng)用中有較多缺點(diǎn)：（1）環(huán)境機(jī)械振動(dòng)和溫度的變化易使空間耦合的諧振腔漂移而無法正常輸出激光；（2）兩塊諧振腔鏡對(duì)環(huán)境潔凈度和溫度、濕度等都有較高要求；（3）這種空間耦合的諧振腔難以封裝，不利于光纖激光器的實(shí)用化和商品化；（4）需要二色鏡和透鏡組來完成泵浦光耦合和激光諧振，這些元件都會(huì)產(chǎn)生損耗，增加激光器閾值，降低激光轉(zhuǎn)換的斜率效率。這些缺點(diǎn)使空間耦合的光纖激光器在實(shí)際使用中經(jīng)常需要專業(yè)人員來進(jìn)行維護(hù)，實(shí)際使用價(jià)值大大降低。

全光纖結(jié)構(gòu)的激光諧振腔使用全光纖元件，通過光纖熔接的辦法使整個(gè)激光諧振腔形成一個(gè)整體。這種結(jié)構(gòu)不僅使光纖激光器的結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、緊湊、免于維護(hù)，而且泵浦光的耦合效率高達(dá) 95% 以上，在實(shí)際中有重要的應(yīng)用前景。

1961 年，Snitzer 等人使用光纖作為增益介質(zhì)制成了世界上第一臺(tái)光纖激光器。隨后，又采用側(cè)面泵浦技術(shù)研制成功了 Nd3 摻雜的光纖激光器，這臺(tái)光纖激光器的耦合效率非常低，激光輸出光束質(zhì)量也很差。后來，Burrus 和 Stone 使用軸向泵浦技術(shù)改善了泵浦耦合效率。1988 年，雙包層光纖以及包層泵浦技術(shù)的出現(xiàn)為提高光纖激光器的輸出功率和轉(zhuǎn)換效率提供了有效途徑?；谶@種包層泵浦技術(shù)的光纖激光器在 1999 年實(shí)現(xiàn)了 110W 的單模連續(xù)激光輸出，改變了光纖激光器只能作為一種小功率光子器件的歷史。

高功率光纖激光技術(shù)取得的進(jìn)展與大亮度光纖耦合激光二極管的技術(shù)進(jìn)步緊密相關(guān)。一些新型高亮度二極管陣列具有增加的腔長(zhǎng)，并與高亮度匹配微光學(xué)元件相結(jié)合，使單陣列中的多個(gè)發(fā)光點(diǎn)直接耦合入直徑 100μm 的光纖中。而大于200W 的更高功率的泵浦模塊，泵浦光纖的直徑可以增加到 200μm，通過光學(xué)疊加和偏振耦合，將 6 至 10 個(gè)更多的陣列單元耦合到單根直徑為 200μm、數(shù)值孔徑 0.2 的泵浦傳輸光纖中。激光二極管通過一個(gè)較大的銅熱沉散熱，從而可以使用工業(yè)用水或高性能半導(dǎo)體制冷器進(jìn)行冷卻，而不需要使用冷卻微通道疊層所需的去離子水。具有四個(gè)激光二極管陣列的 976nm 光纖耦合模塊，能通過 200μm的光纖實(shí)現(xiàn)超過 200W 的功率輸出?，F(xiàn)在，基于標(biāo)準(zhǔn)商用光纖、組件和 976nm 激光二極管，實(shí)現(xiàn)輸出波長(zhǎng) 1μm 的千瓦級(jí)全光纖激光技術(shù)已經(jīng)逐漸成熟。

隨著大模場(chǎng)面積雙包層摻雜光纖制造工藝和高亮度激光二極管泵浦技術(shù)的發(fā)展，單模雙包層光纖激光器的單光纖輸出功率正以驚人的速度提高。Gapontsev 指出，光纖激光器的輸出功率水平按每年翻番的速度增長(zhǎng)。英國(guó) SPI 在 2003 年 8 月制成1kW(波長(zhǎng) 1090nm,M2=3)的光纖激光器。他們于 2004 年 12 月研制成功 1.36kW連續(xù)光纖激光器，該激光器采用雙端泵浦 12m 長(zhǎng)的雙包層光纖(纖芯徑 40μm，NA<0.05)，采用兩個(gè) 975nm 波長(zhǎng)的 LD 泵浦模塊，總泵浦功率為 1.8kW，斜率效率為 83%，輸出激光波長(zhǎng)在 1.1μm，光束質(zhì)量因子 M2=1.4。他們還預(yù)言，通過對(duì)摻雜光纖更先進(jìn)的設(shè)計(jì)和采用更高功率的泵浦源，單根光纖的輸出功率可高達(dá)萬瓦。2009 年 6 月，美國(guó) IPG推出了上萬瓦的單模光纖激光器產(chǎn)品，多模連續(xù)光纖激光器輸出功率已達(dá) 50 kW，電光轉(zhuǎn)換效率高于 25%。在光纖放大器方面，Nufern 也推出了 kW 量級(jí)窄線寬高功率單模光纖放大器系統(tǒng)。

但是，受限于摻雜光纖的非線性效應(yīng)（如受激拉曼散射和受激布里淵散射）和纖芯的光熱損傷等物理現(xiàn)象，光纖激光器的單光纖輸出功率最終有限，而且光束質(zhì)量也會(huì)隨輸出功率的提高而變差。為此，常采用激光器陣列合束的方法來獲得更高激光輸出功率，以滿足工業(yè)加工、空間光通訊、遙感和國(guó)防等對(duì)大功率激光的需要。按激光器陣列單元之間的相位關(guān)系，激光合束技術(shù)分為相干和非相干合束兩大類。其中，相干合束技術(shù)被認(rèn)為是獲得高功率、近衍射極限的光束輸出的有效方法。已經(jīng)有大量的實(shí)驗(yàn)對(duì)光纖激光器的相干合束進(jìn)行了報(bào)道。如 2009 年，美國(guó)空軍實(shí)驗(yàn)室的 Shay 等實(shí)驗(yàn)了 5 路百瓦級(jí)光纖放大器的相干合成，獲得 725W 功率輸出。然而，光纖激光陣列獲得的相干合束功率仍沒有突破千瓦量級(jí)。

相干合束技術(shù)由于要求激光器陣列元之間嚴(yán)格的滿足相位關(guān)系而使系統(tǒng)結(jié)構(gòu)復(fù)雜，不利于獲得高相干性、高功率的激光合成輸出，這一點(diǎn)可以從氣體、化學(xué)、半導(dǎo)體和固體激光等各種激光光束相干合束的實(shí)驗(yàn)中分析得出。例如，美國(guó)Northrop Grumman 公布的 JHPSSL 項(xiàng)目于 2009 年通過 7 路 15kW 級(jí)固體激光陣列相干合束獲得 105kW 高功率固體激光輸出，但是實(shí)際的主瓣功率只有約 11.5kW，光束質(zhì)量并不理想，只取得了部分相干合成的效果。因此，大功率激光的相干合束其實(shí)質(zhì)上往往只是部分相干合束，對(duì)較大功率激光器陣列的光束合成高光束質(zhì)量激光輸出仍有待于突破。

非相干合束技術(shù)使激光器陣列的輸出光束沿同一傳輸軸傳播合為一束, 實(shí)現(xiàn)功率的標(biāo)量疊加。這種技術(shù)對(duì)各陣元輸出光束的相位沒有限制，只要求激光陣列的波長(zhǎng)處于組束元件的頻譜范圍內(nèi)。2009 年，美國(guó)海軍實(shí)驗(yàn)室 Sprangle 使用自適應(yīng)的光學(xué)反射鏡實(shí)現(xiàn)了 4 臺(tái)光纖激光非相干合束輸出 3kW 功率。同年，德國(guó)的Wirth 也實(shí)驗(yàn)了 4 路 MOPA 結(jié)構(gòu)光子晶體光纖放大器的外腔非相干合束，實(shí)現(xiàn)2065W 激光輸出。與相干合束相比，非相干合束方法結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、系統(tǒng)穩(wěn)定且易于控制, 近年來逐漸成為光纖激光領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)。 解讀詞條背后的知識(shí) 迪亞哥談激光切割技術(shù) 專注激光切割設(shè)備最新技術(shù)、維修保養(yǎng)知識(shí)等

全光纖激光器的特點(diǎn)和優(yōu)勢(shì)

全光纖激光器具有許多顯著特點(diǎn)，這使其在眾多方面展現(xiàn)出明顯的優(yōu)勢(shì)。1. 增益介質(zhì)的表面積/體積比大光纖激光器采用光纖做增益介質(zhì)，具有很大的表面積/體積比，這使其具有非常好的散熱性能，因此，及時(shí)非常高功率的光纖激光器，增益介質(zhì)也不會(huì)受到熱損害，一般無需對(duì)增益介質(zhì)采取特別的散熱措...