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0431-81702023
光學工程
光纖激光器最新研究進程

對摻雜光纖作為增益介質的光纖激光器的研究始于20世紀60年代,而直到80年代后期,隨著光纖制造工藝與半導體激光器生產技術的日趨成熟,以及光通訊技術的迅猛發展,大功率光纖激光器領域的研究才取得實質性突破。由于光纖激光器以靈巧的半導體激光二極管作為泵源,以柔軟的光纖作為波導和增益介質,同時可采用光纖光柵,耦合器等光纖元件,因此無需光路機械調整,結構緊湊,便于集成,其特有的全光纖結構使器件的抗電磁干擾性強,溫度膨脹系數小,在頻域上應用WDM及光纖傳感技術可實現多波長可調諧輸出,在時域上結合激光鎖模技術可產生幾乎沒有啁啾的皮秒級超短變換極限光脈沖。與固體激光器和半導體激光器相比,光纖激光器具有無可比擬的優點。目前光纖激光器作為光源在光通信領域已得到廣泛應用,而隨著大功率雙保層光纖激光器的出現,其應用正向著激光加工、圖像顯示和生物醫療等更廣闊的領域迅速擴展。本文以下內容概述了光纖激光器的基本結構、特點、應用及其發展前景。
1.光纖激光器結構
  光纖激光器的基本結構與其他激光器基本相同。
  光纖激光器主要由泵源,耦合器,摻稀土元素光纖,諧振腔等部件構成。泵源由一個或多個大功率激光二極管構成,其發出的泵浦光經特殊的泵浦結構耦合入作為增益介質的摻稀土元素光纖,泵浦波長上的光子被摻雜光纖介質吸收,形成粒子數反轉,受激發射的光波經諧振腔鏡的反饋和振蕩形成激光輸出。
1.1摻稀土元素光纖
  光纖激光器是以摻稀土元素光纖作為增益介質的,十五種稀土元素中比較常用的有源光纖摻雜離子有Nd3+, Ho3+, Er3+, Tm3+, Yb3+等,上述幾種稀土元素的泵浦波長和激射波長如表所示。
 Nd3+   Yb3+   Er3+   Tm3+   Ho3+
泵浦波長   795nm  800nm-1000nm  980nm  790nm,1260nm,1650nm  900nm1150nm
激射波長   1060nm   1340nm   1030nm-1150nm  1550nm  1.9-2μm 2μm
  從表可看出,Yb3+具有較寬的吸收帶(800nm-1000nm)和相當寬的激發帶(1030nm-1150nm),因此泵源選擇非常廣泛而且泵浦光和激光都沒有受激吸收,以摻Yb3+光纖激光器為泵源的拉曼光纖激光器可行成1.2μm-1.6μm的激光輸出。摻Er3+光纖激光器的輸出波長對應光通信主要窗口1.5μm,是目前應用最廣泛和技術最成熟的光纖激光器。摻Tm3+,摻Ho3+ 光纖激光器的輸出波長在2.0μm左右,由于水分子在該波長附近有很強的中紅外吸收峰,因此用該波段激光器進行手術時,激光照射部位血液迅速凝結,手術創面小,止血性好,又由于該波段激光對人眼是安全的,所以摻Tm3+,摻Ho3+ 光纖激光器在醫療和生物學研究方面有廣泛的應用前景。

近年來,為提高輸出功率,作為大功率光纖激光器增益介質的摻稀土元素光纖多采用雙包層設計,即纖芯為相應激光波長的單模摻雜光纖,內包層為折射率較低、尺寸和數值孔徑與泵源輸出尾纖匹配的石英材料,外包層采用折射率低于內包層的石英或聚合物材料。泵浦光耦合入光纖的內包層,在雙包層光纖內全反射的過程中多次穿過纖芯,使泵浦光被摻雜介質吸收,形成粒子數反轉,產生激射波長輸出。這種包層泵浦技術將有效吸收面積擴大了上百倍,大大地提高了泵浦吸收效率。目前,在雙包層光纖的基礎上又推出了一種新型的“M型”光纖,即在預制棒制備過程中控制稀土元素摻雜濃度的分布,使拉制后的雙包層光纖纖芯折射率成M型分布。理論和實驗表明這種新型光纖具有更高的泵浦吸收效率,采用M型光纖的光纖激光器只需幾米長的摻雜光纖就可將泵浦能量完全吸收,而同等摻雜濃度的普通雙包層光纖則需要十米至五十米。
  對于圓形內包層的雙包層光纖,由于大量螺旋光的存在,纖芯的吸收效率只有10%,因此內包層形狀的設計也是提高泵浦吸收效率的關鍵。偏心形內包層,D形內包層,矩形內包層,六角形內包層先后被采用,實驗證明,不規則、非對稱性的內包層形狀能使泵浦吸收效率得到有效提高。目前在實驗研究中被廣泛采用的還有梅花瓣形內包層結構,此外光子晶體光纖在光纖激光器中的應用也逐漸成為研究的熱點。
1.2 泵浦結構
  泵浦結構的設計是高功率光纖激光器的一項關鍵技術。在初始研究階段端面泵浦和側向泵浦結構被廣泛采用,端面泵浦技術受包層橫截面積的限制影響泵浦功率進一步提高。而側向泵浦技術由于采用透鏡準直聚焦而使系統穩定性下降,不利于實用化。
  近年來人們在高功率光纖激光器泵浦結構方面又有一些新的探索,日本科學家Hiroshi Sekiguchi 提出“任意形狀激光器”方案,該方案將摻稀土元素光纖盤成圓盤狀或圓柱狀等不同形狀,在光纖縫隙間填充與光纖包層同折射率的材料,泵浦光從邊緣注入,這樣泵浦光的吸收面積比單根雙包層光纖內包層的面積大大增加,而且泵浦光多次通過摻雜纖芯,也將使摻雜元素對泵浦光吸收更加充分。這種“任意形狀”的光纖激光器有望實現更高的激光功率輸出。
1.3 諧振腔
  制備合適的光學諧振腔是高功率光纖激光器實用化的又一項關鍵技術。目前,高功率光纖激光器的諧振腔主要有兩種,一種是采用二色鏡構成諧振腔,這種方法一般需要在防震光學平臺上實現,因而降低了光纖激光器的穩定性和可靠性,不利于該產品的產業化與實用化;另一種是采用光纖光柵做諧振腔,光纖光柵是透過紫外誘導在光纖纖芯形成折射率周期性變化的低損耗器件,具有非常好的波長選擇特性。光纖光柵的采用,簡化了激光器的結構窄化了線寬,同時提高了激光器的信噪比和可靠性,進而提高了光束質量。另外,采用光纖光柵做諧振腔可以將泵浦源的尾纖與增益光纖有機地熔接為一體,避免了用二色鏡和透鏡組提供激光反饋帶來的損耗,從而降低了光纖激光器的閾值,提高了輸出激光的斜率效率。根據對輸出激光特性的不同要求可選擇單模光纖光柵和多模光纖光柵作為諧振腔的反射鏡,單模光纖光柵具有單一的反射峰值和很窄的反射半寬,對應的激光輸出為單模,光束質量高,單色性好,但輸出功率較低;多模光纖光柵是在多模漸變折射率光纖上通過紫外誘導寫入的光纖光柵,能反射多個波長,反射半寬較寬,應用多模光纖光柵做腔鏡的光纖激光器輸出光束為多模,可實現高功率的激光輸出,但輸出光光束質量較差。

3 光纖激光器特點及應用
  光纖激光器以光纖作為波導介質,耦合效率高,易形成高功率密度,散熱效果好,無需龐大的制冷系統,具有高轉換效率,低閾值,光束質量好和窄線寬等優點。光纖激光器通過摻雜不同的稀土離子可實現380nm-3900nm波段范圍的激光輸出,通過光纖光柵諧振腔的調節可實現波長選擇且可調諧。美國IPG公司已于2004年8月在德國建成10KW摻Yb雙包層光纖激光器,該激光器輸出光束質量為11.5mm.mrad,輸出功率1KW~10KW連續可調,最大功率密度30MW/cm2,輸出尾纖直徑200μm,這是迄今為止已報道的最高光纖激光器功率輸出。而英國,俄羅斯,日本,德國等國也在光纖激光器領域取得許多重要成果。其中英國南安普頓大學研制的1KW單模光纖激光器保持著單模光纖激光器最高輸出的紀錄。
  與傳統的固體激光器相比,光纖激光器體積小,壽命長,易于系統集成,在高溫高壓,高震動,高沖擊的惡劣環境中皆可正常運轉,其輸出光譜具有更高的可調諧性和選擇性。 表是大功率光纖激光器與傳統固體激光器的性能參數比較。
  CO2激光器   Lp-ND-YAG激光器   DP-YAG激光器   摻Yb3+雙包層光纖激光器
波長/μm   1.06   1.06   1.06   1-1.2
電光效率/%  5-10   1-3   5-10   12-20
功率/KW   1-20   0.5-5   0.5-10   0-10
光束參數/ mm.mrad   >100   50-80   25-50   1-20
石英光纖傳輸   否   能   能   能
維修周期/Khr   1-2   <1   3-5   40-50
  可看出,高功率光纖激光器的各項性能指標遠優于固體激光器,因此光纖激光器被一致認為是有可能全面替代固體激光器的新一代產品。
  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域的市場需求也呈迅速擴展的趨勢。光纖激光器在激光加工領域的范圍和所需性能具體如下:軟焊和燒結:50-500W;聚合物和復合材料切割: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的發展,輸出波段在紫光、藍光、綠光、紅光及近紅外光的波長上轉換光纖激光器已可以作為實用的全固化光源而廣泛應用于數據存儲,彩色顯示,醫學熒光診斷。遠紅外波長輸出的光纖激光器由于其結構靈巧緊湊,能量和波長可調諧等優點,也在激光醫療和生物工程等領域得到應用。
4.前景與展望
  目前,光纖激光器可實現800nm-2100nm波段的激光輸出,最大功率已達到萬瓦量級,應用也從光通信擴展到激光加工、激光打標、圖像顯示、生物工程、醫療衛生等領域。未來光纖激光器的發展趨勢將體現在以下幾個方面:(1)光纖激光器本身性能的提高:如何提高輸出功率和轉換效率,優化光束質量,縮短增益光纖長度,提高系統穩定性并使其更加小巧緊湊將是未來光纖激光器領域研究的重點。(2)新型光纖激光器的研制:在時域方面,具有更小占空比的超短脈沖鎖模光纖激光器一直是激光領域研究的熱點,高功率飛秒量級脈沖光纖激光器一直是人們長期追求的目標,該領域研究的突破不僅可以給光通信時分復用(OTDM)提供理想的光源,而且可以有效帶動激光加工、激光打標及激光加密等相關產業的發展。在頻域方面,寬帶輸出并可調諧的光纖激光器將成為研究熱點,近來,一種采用ZEBLAN材料(Zr、Ba、La、Al、Nd)為激光介質的非線性光纖激光器引起了人們的重視,該激光器具有相當寬的帶寬和低損耗,可實現波長上轉換幾個波段,被專家譽為下一代通信材料,如能實現大規模生產將會在激光打印和大屏幕顯示領域產生幾十億美元的市場。可以預見,隨著相關技術的完善,光纖激光器將向更廣闊的領域發展,并有可能成為替代固體激光器和半導體激光器的新一代光源,形成一個新興的產業。


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