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张健1郑杰1张亮2 王立军2 张玉书1
(1.吉林大学电子科学与工程学院 吉林 长春 130023；
2.中国科学院长春光学精密机械与物理研究所 吉林 长春 130033)
摘要：本文简要介绍了光纤激光器的结构，特点和应用。同时介绍了光纤激光器，尤其是高功率双包层光纤激光器领域的研究热点及其发展趋势。
关键词：掺杂双包层光纤；泵浦结构；谐振腔
Proceedings of Fiber Laser
ZHANG Jian1 ，ZHENG Jie1 ，ZHANG Liang2 ， WANG Li-jun2 ，ZHANG Yu-shu1
（1. National Integrated Optoelectronics Laboratory, Jilin University, Changchun Jilin 130023；
2. Changchun Institute of Optics .Fine Mechanics and Physics, Chinese Academy of Science，Changchun Jilin 130033)
Abstract: The structure, characteristics and applications of fiber lasers are described in this paper. The hot point and future trend of fiber lasers, especially high power double cladding fiber lasers are also discussed.
Key words: doped double cladding fiber, pump structure, resonater
对掺杂光纤作为增益介质的光纤激光器的研究始于20世纪60年代，而直到80年代后期，随着光纤制造工艺与半导体激光器生产技术的日趋成熟，以及光通讯技术的迅猛发展，大功率光纤激光器领域的研究才取得实质性突破。由于光纤激光器以灵巧的半导体激光二极管作为泵源,以柔软的光纤作为波导和增益介质,同时可采用光纤光栅,耦合器等光纤元件,因此无需光路机械调整,结构紧凑,便于集成，其特有的全光纤结构使器件的抗电磁干扰性强，温度膨胀系数小，在频域上应用WDM及光纤传感技术可实现多波长可调谐输出，在时域上结合激光锁模技术可产生几乎没有啁啾的皮秒级超短变换极限光脉冲。与固体激光器和半导体激光器相比，光纤激光器具有无可比拟的优点。目前光纤激光器作为光源在光通信领域已得到广泛应用，而随着大功率双保层光纤激光器的出现，其应用正向着激光加工、图像显示和生物医疗等更广阔的领域迅速扩展。本文以下内容概述了光纤激光器的基本结构、特点、应用及其发展前景。
1．光纤激光器结构
光纤激光器的基本结构与其他激光器基本相同。
光纤激光器主要由泵源，耦合器，掺稀土元素光纤，谐振腔等部件构成。泵源由一个或多个大功率激光二极管构成，其发出的泵浦光经特殊的泵浦结构耦合入作为增益介质的掺稀土元素光纤，泵浦波长上的光子被掺杂光纤介质吸收，形成粒子数反转，受激发射的光波经谐振腔镜的反馈和振荡形成激光输出。
1.1掺稀土元素光纤
光纤激光器是以掺稀土元素光纤作为增益介质的，十五种稀土元素中比较常用的有源光纤掺杂离子有Nd3＋, Ho3＋, Er3＋, Tm3＋, Yb3＋等，上述几种稀土元素的泵浦波长和激射波长如表1所示。
Nd3+ Yb3+ Er3+ Tm3+ Ho3+
泵浦波长 795nm 800nm－1000nm 980nm 790nm,1260nm,1650nm 900nm1150nm
激射波长 1060nm1340nm 1030nm－1150nm 1550nm 1.9－2μm 2μm
从表1可看出，Yb3＋具有较宽的吸收带（800nm-1000nm）和相当宽的激发带（1030nm-1150nm），因此泵源选择非常广泛而且泵浦光和激光都没有受激吸收，以掺Yb3+光纤激光器为泵源的拉曼光纤激光器可行成1.2μm-1.6μm的激光输出。掺Er3+光纤激光器的输出波长对应光通信主要窗口1.5μm，是目前应用最广泛和技术最成熟的光纤激光器。掺Tm3+，掺Ho3+ 光纤激光器的输出波长在2.0μm左右，由于水分子在该波长附近有很强的中红外吸收峰，因此用该波段激光器进行手术时，激光照射部位血液迅速凝结，手术创面小，止血性好，又由于该波段激光对人眼是安全的，所以掺Tm3+，掺Ho3+ 光纤激光器在医疗和生物学研究方面有广泛的应用前景[1]。
近年来，为提高输出功率，作为大功率光纤激光器增益介质的掺稀土元素光纤多采用双包层设计，即纤芯为相应激光波长的单模掺杂光纤，内包层为折射率较低、尺寸和数值孔径与泵源输出尾纤匹配的石英材料，外包层采用折射率低于内包层的石英或聚合物材料。泵浦光耦合入光纤的内包层，在双包层光纤内全反射的过程中多次穿过纤芯，使泵浦光被掺杂介质吸收，形成粒子数反转，产生激射波长输出。这种包层泵浦技术将有效吸收面积扩大了上百倍，大大地提高了泵浦吸收效率。目前，在双包层光纤的基础上又推出了一种新型的“M型”光纤，即在预制棒制备过程中控制稀土元素掺杂浓度的分布，使拉制后的双包层光纤纤芯折射率成M型分布。理论和实验表明这种新型光纤具有更高的泵浦吸收效率，采用M型光纤的光纤激光器只需几米长的掺杂光纤就可将泵浦能量完全吸收，而同等掺杂浓度的普通双包层光纤则需要十米至五十米[2]。
对于圆形内包层的双包层光纤，由于大量螺旋光的存在，纤芯的吸收效率只有10％，因此内包层形状的设计也是提高泵浦吸收效率的关键。偏心形内包层，D形内包层，矩形内包层，六角形内包层先后被采用[3]，实验证明，不规则、非对称性的内包层形状能使泵浦吸收效率得到有效提高。目前在实验研究中被广泛采用的还有梅花瓣形内包层结构，此外光子晶体光纤在光纤激光器中的应用也逐渐成为研究的热点（如图6所示）[4]。
1.2 泵浦结构
泵浦结构的设计是高功率光纤激光器的一项关键技术。在初始研究阶段端面泵浦和侧向泵浦结构被广泛采用，端面泵浦技术受包层横截面积的限制影响泵浦功率进一步提高。而侧向泵浦技术由于采用透镜准直聚焦而使系统稳定性下降，不利于实用化。
目前实用化的光纤激光器所采用的是多模光纤耦合器，俄罗斯GPI研究所研制的GTW多模光纤耦合器，其结构与星形耦合器相似。L1，L2端与半导体激光二极管输出尾纤相熔接，左右两端分别熔接掺杂双包层光纤和光纤光栅。IPG公司采用的锥形多模光纤耦合器示意图。多模光纤耦合器突破了包层泵浦技术的限制，可以将多个激光二极管输出的光几乎无损地耦合到增益光纤的内包层，有效地提高了泵浦效率，使千瓦级甚至万瓦级激光输出成为可能。
近年来人们在高功率光纤激光器泵浦结构方面又有一些新的探索，日本科学家Hiroshi Sekiguchi 提出“任意形状激光器”方案[5]，该方案将掺稀土元素光纤盘成圆盘状或圆柱状等不同形状，在光纤缝隙间填充与光纤包层同折射率的材料，泵浦光从边缘注入，这样泵浦光的吸收面积比单根双包层光纤内包层的面积大大增加，而且泵浦光多次通过掺杂纤芯，也将使掺杂元素对泵浦光吸收更加充分。这种“任意形状”的光纤激光器有望实现更高的激光功率输出。
1.3 谐振腔
制备合适的光学谐振腔是高功率光纤激光器实用化的又一项关键技术。目前,高功率光纤激光器的谐振腔主要有两种，一种是采用二色镜构成谐振腔[6]，这种方法一般需要在防震光学平台上实现，因而降低了光纤激光器的稳定性和可靠性，不利于该产品的产业化与实用化；另一种是采用光纤光栅做谐振腔[7]，光纤光栅是透过紫外诱导在光纤纤芯形成折射率周期性变化的低损耗器件,具有非常好的波长选择特性。光纤光栅的采用，简化了激光器的结构窄化了线宽，同时提高了激光器的信噪比和可靠性，进而提高了光束质量。另外，采用光纤光栅做谐振腔可以将泵浦源的尾纤与增益光纤有机地熔接为一体，避免了用二色镜和透镜组提供激光反馈带来的损耗，从而降低了光纤激光器的阈值，提高了输出激光的斜率效率。根据对输出激光特性的不同要求可选择单模光纤光栅和多模光纤光栅作为谐振腔的反射镜，单模光纤光栅具有单一的反射峰值和很窄的反射半宽，对应的激光输出为单模，光束质量高，单色性好，但输出功率较低；多模光纤光栅是在多模渐变折射率光纤上通过紫外诱导写入的光纤光栅，能反射多个波长，反射半宽较宽，应用多模光纤光栅做腔镜的光纤激光器输出光束为多模，可实现高功率的激光输出，但输出光光束质量较差。
3 光纤激光器特点及应用
光纤激光器以光纤作为波导介质，耦合效率高，易形成高功率密度，散热效果好，无需庞大的制冷系统，具有高转换效率，低阈值，光束质量好和窄线宽等优点。光纤激光器通过掺杂不同的稀土离子可实现380nm－3900nm波段范围的激光输出，通过光纤光栅谐振腔的调节可实现波长选择且可调谐。美国IPG公司已于2004年8月在德国建成10KW掺Yb双包层光纤激光器，该激光器输出光束质量为11.5mm.mrad，输出功率1KW～10KW连续可调，最大功率密度30MW/cm2,输出尾纤直径200μm，这是迄今为止已报道的最高光纤激光器功率输出[8]。而英国，俄罗斯，日本，德国等国也在光纤激光器领域取得许多重要成果。其中英国南安普顿大学研制的1KW单模光纤激光器保持着单模光纤激光器最高输出的纪录[9]。
与传统的固体激光器相比，光纤激光器体积小，寿命长，易于系统集成，在高温高压，高震动，高冲击的恶劣环境中皆可正常运转，其输出光谱具有更高的可调谐性和选择性。 表2是大功率光纤激光器与传统固体激光器的性能参数比较[10]。
CO2激光器 Lp-ND-YAG激光器 DP-YAG激光器 掺Yb3+双包层光纤激光器
波长/μm 1.06 1.06 1.06 1－1.2
电光效率/ % 5－10 1－3 5－10 12－20
功率/KW 1－20 0.5－5 0.5－10 0－10
光束参数/ mm.mrad >100 50－80 25－50 1－20
石英光纤传输 否 能 能 能
维修周期/Khr 1－2 <1 3－5 40－50
由表2 可看出，高功率光纤激光器的各项性能指标远优于固体激光器，因此光纤激光器被一致认为是有可能全面替代固体激光器的新一代产品。
由于其波段涵盖了1.3μm和1.5μm两个主要通信窗口，因此光纤激光器在光通信领域拥有不可替代的地位，大功率双包层光纤激光器的研制成功使其在激光加工领域的市场需求也呈迅速扩展的趋势。光纤激光器在激光加工领域的范围和所需性能具体如下：软焊和烧结：50－500W；聚合物和复合材料切割：200W－1kW；去激活：300W－1kW；快速印刷和打印：20W－1kW；金属淬火和涂敷：2－20kW；玻璃和硅切割：500 W－2kW[11]。此外，随着紫外光纤光栅写入和包层泵浦技术的发展，输出波段在紫光、蓝光、绿光、红光及近红外光的波长上转换光纤激光器已可以作为实用的全固化光源而广泛应用于数据存储，彩色显示，医学荧光诊断。远红外波长输出的光纤激光器由于其结构灵巧紧凑，能量和波长可调谐等优点，也在激光医疗和生物工程等领域得到应用。
4.前景与展望
目前，光纤激光器可实现800nm－2100nm波段的激光输出，最大功率已达到万瓦量级，应用也从光通信扩展到激光加工、激光打标、图像显示、生物工程、医疗卫生等领域。未来光纤激光器的发展趋势将体现在以下几个方面：（1）光纤激光器本身性能的提高：如何提高输出功率和转换效率，优化光束质量，缩短增益光纤长度，提高系统稳定性并使其更加小巧紧凑将是未来光纤激光器领域研究的重点。（2）新型光纤激光器的研制：在时域方面，具有更小占空比的超短脉冲锁模光纤激光器一直是激光领域研究的热点，高功率飞秒量级脉冲光纤激光器一直是人们长期追求的目标，该领域研究的突破不仅可以给光通信时分复用（OTDM）提供理想的光源，而且可以有效带动激光加工、激光打标及激光加密等相关产业的发展。在频域方面，宽带输出并可调谐的光纤激光器将成为研究热点，近来，一种采用ZEBLAN材料（Zr、Ba、La、Al、Nd）为激光介质的非线性光纤激光器引起了人们的重视，该激光器具有相当宽的带宽和低损耗，可实现波长上转换几个波段，被专家誉为下一代通信材料，如能实现大规模生产将会在激光打印和大屏幕显示领域产生几十亿美元的市场[10]。可以预见，随着相关技术的完善，光纤激光器将向更广阔的领域发展，并有可能成为替代固体激光器和半导体激光器的新一代光源，形成一个新兴的产业。
参考文献：
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