「熱門」高功率光纖雷射器關鍵技術及進展

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本文作者黃榜才，李寶珠，李強，梁小紅，中國電子科技集團公司第四十六研究所，僅供行業交流學習之用！

引 言

光纖雷射器具有眾多令人矚目的優點，如其波導結構與傳輸光纖相同，易於與傳輸光纖集成和耦合；基質材料具有很好的散熱特性和熱穩定性；與傳統固體雷射器相比，光纖雷射器損耗小、閾值低、效率高，容易實現小巧、緊湊的結構設計，因此光纖雷射器在光纖通信、傳感、工業加工、國防和軍事等領域被廣泛應用。近年來，光纖雷射器輸出功率快速增長，高功率光纖雷射器各項關鍵技術的研究都取得了較大突破，增益光纖有了多種新型結構設計的摻雜光纖(如雙包層光纖、光子晶體光纖等)；泵浦耦合技術實現了端面、側面泵浦等多種耦合方式；雷射模式控制技術解決了高功率光纖雷射器光束質量和輸出功率之間的矛盾；光纖雷射器光束合成技術的研究也取得了較多成果。以下將綜述光纖雷射器關鍵技術的研究和發展情況。

高功率光纖雷射器的關鍵技術

1.1 增益光纖製作技術

1.1.1 稀土摻雜雙包層石英光纖

稀土摻雜雙包層石英光纖技術最早由美國寶麗來公司和英國南安普敦大學於 20 世紀 80 年代末期提出。它有效解決了光纖雷射器中泵浦光功率與增益光纖之間的耦合效率問題，顯著提高光纖雷射器輸出功率。稀土摻雜雙包層石英光纖的研製技術因此成為了高功率光纖雷射器的關鍵技術之一。雙包層光纖由纖芯、內包層、外包層和保護層構成，如圖 1所示。它比普通單模光纖增加了 1 個內包層作為多模泵浦光的傳輸波導，泵浦光在內包層中傳輸時不斷穿越纖芯而被其中的稀土離子吸收，並產生單模雷射由纖芯波導輸出。

為了使內包層中傳輸的泵浦光更多次地穿越摻有稀土離子的纖芯，增加泵浦長度，提高泵浦效率，研究人員提出了不同形狀的內包層結構。圓形結構由於不需要額外加工，製造工藝簡單，容易實現與帶尾纖的泵浦光源耦合，是最先研製和使用的內包層結構。但完美的圓形對稱造成內包層中存在大量的螺旋光，這部分泵浦光不經過纖芯，不被稀土離子吸收，大大降低了泵浦光的利用率。後來，又逐漸研製出不同形狀的內包層，如偏芯圓形、矩形、正方形、D 形、梅花形、六邊形、八 角形等。理論表明，矩形和 D 形內包層結構具有很高的泵浦光利用率。同時，為了高效地把泵浦光功率耦合進增益光纖中，內包層的直徑和數值孔徑還應該足夠大。

雖然雙包層光纖雷射器的輸出功率有了較大提高，但由於其纖芯仍屬於傳統單模，纖芯直徑較小、增益大，放大的自發輻射很容易建立，非線性作用較強，因此很難得到高脈衝能量的脈衝雷射輸出。理論表明，光纖雷射器產生的脈衝能量是由光纖中的飽和能量 Esat 決定的：

在稀土摻雜雙包層石英光纖的 MCVD 工藝中，只能通過纖芯直徑和數值孔徑的控制才能實現單模輸出。這種方法存在兩個問題，一是纖芯直徑的增加受到工藝和其他參數(如數 值孔徑、光纖損耗)的限制不能自由設計；二是纖芯和內包層的折射率差不能精確控制。而稀土摻雜雙包層 PCF 的導波性質主要取決於光纖的結構而與材料無關，可以將稀土摻雜雙包層 PCF 的模場面積增大，以降低光纖內的功率密度和控制光纖產生非線性現象，目前這種具有大模場面積的稀土摻雜雙包層PCF 已在高功率光纖雷射器研製中受到重視，並將進一步提高光纖雷射器的功率水平。

為了提高泵浦光的耦合效率，稀土摻雜雙包層 PCF 的內包層數值孔徑需要儘可能高。採用低折射率塗料做石英光纖外包層，可以將數值孔徑提高到1.46～1.48，而這也是該工藝的極限水平。稀土摻雜雙包層 PCF 則很容易突破這個極限，提高內包層的空氣填充比例，增大光纖內包層和纖芯的相對摺射率差可增大光纖內包層的數值孔徑，可以高達 0.9。目前內包層數值孔徑為 0.8 的摻鐿雙包層 PCF 已見諸報導。

具有保偏特性的稀土摻雜雙包層PCF是另一個值得關注的發展方向，通過改變 x、y軸靠近纖芯附近的空氣孔的直徑，可以引起兩個正交軸上有效折射率的差異，從而在光纖內引入雙折射，可比普通保偏光纖大一個數量級，達 10-3 量級。

1.2 泵浦光耦合技術

1.2.1 端面耦合技術

端面耦合技術將泵浦光聚焦到雙包層光纖內包層端面處，直接耦合到雙包層光纖中，這種技術最大的特點在於結構簡單，易於實現，因此端泵浦技術在包層泵浦技術發展的初期被處於科技前沿的國內外研究者廣泛採用。根據泵浦光和接受雙包層光纖兩者的數值孔徑和光斑大小，設計合適的透鏡組將泵浦光耦合進雙包層光纖，在泵浦光功率較高時，這種方法因受光面積所限，光纖端面處的光密度極高，故易造成光纖端面損傷；另一大缺陷在於，相對於耦合光斑來說，光纖端面接受面積太小，以至於稍微的位置偏移都會引起耦合效率的急遽下降。於是全光纖連接方案受到研究者的注意，錐形光纖耦合技術是最初考慮的途徑之一，如圖 3 所示。

錐形光纖耦合方式是一種改進的端泵浦耦合方式，主要依靠錐形光纖將尾纖輸出的大模場直徑光斑壓縮進橫截面相對較小的雙包層光纖中。這種方式耦合效率高於普通的端泵耦合方式，只是不能實現環形雷射腔結構及雷射放大器，且不 適用於多個高能雷射泵源的同時泵浦。為了實現多個泵浦源的同時泵浦，研究者對錐形光纖耦合技術稍作改進，發展了光纖合束器耦合技術。如圖 4 所示，這種耦合技術將多根多模光纖組成的光纖束逐漸收縮為單根與雙包層光纖尺寸相匹配的多模光纖，再與雙包層光纖連接。該技術適用於多個帶尾纖的大功率 LD同時泵浦。它可以將光纖束中心的一根多模光纖替換為適於信號光傳輸的單模光纖與雙包層光纖纖芯熔 接，這樣泵光可以從多模光纖耦合到摻雜光纖內包層中，而信號光可以從中心的單模光纖耦合到纖芯中，從而解決了錐形光纖無法實現環形腔結構設計的弊端，並且使得多路泵浦成為可能。

1.2.2 側面耦合技術側面耦合技術是將雙包層光纖的一段塗敷層及外包層剝除後，在內包層的一個側面，泵浦光經一定的耦合方式注入雙包層光纖內包層。這種耦合方式使雙包層光纖兩端自由，易於實現各種靈巧的雷射腔結構，而且泵浦位置可自由選擇，便於實現雙向泵浦及多點陣列式泵浦，以獲得更大的輸出光功率。

到目前為止，側面耦合技術主要有內包層&34;型槽耦合技術、內包層內嵌反射鏡耦合技術、斜角光纖耦合技術(包括側面熔接、膠合兩種途徑)、稜鏡耦合技術以及光纖盤耦合技術等形式。根據技術原理劃分，內包層&34;型槽耦合技術和內包層內嵌反射鏡耦合技術的原理基本類似，分別是利用 V 形槽斜面處和內嵌的反射鏡的全內反射實現泵浦光與雙包層光纖內包層間的耦合，該技術對工藝要求較高，而且不能實現多點分布式泵浦。而斜角光纖耦合技術和稜鏡耦合技術剛好解決了多點分布式泵浦的問題。

斜角光纖耦合技術和稜鏡耦合技術屬於同一種泵浦原理的耦合技術，但就工藝難度相比而言，斜角光纖耦合技術最容易實現。根據有關理論分析，斜角光纖的耦合效率與端面斜角有關，最大耦合效率時存在唯一一個最佳角度，該最大耦合效率值與光纖參數有關。另外，斜角光纖耦合技術對於非尾纖輸出的條狀半導體雷射器泵浦光的耦合特別有效，將數根矩形光纖或玻璃絲排列成光纖排，前端面與條狀 LD 輸出面通過微柱透鏡耦合(見圖 5)，後端的光纖或玻璃絲各自獨立， 每根末端均磨成斜角，分別在雙包層光纖內包層側面的不同位置耦合，適用於多點泵浦。

利用二元衍射光柵進行側面耦合，也是一種可以實現側面、分布式多點泵浦的耦合技術。該技術將衍射光柵放置在光纖內包層的表面，不會損害光纖的外表面，對 TM 偏振入射光具有高達 94%,的耦合效率。由於這種方法使用了折射率匹配液，所以不能承受大功率的泵浦光。張帆等人提出一種基於亞波長衍射光柵理論的介質-金屬-介質的對稱夾層結構，這種結構因為沒有使用諸如折射率匹配液、光學固化膠等承受不了較高溫度的黏接物質，所以可以用於大功率雷射二極體陣列的側面泵浦，其耦合效率可以達到 80%以上。

1.3 模式控制技術

為了提高光纖雷射器的輸出功率，擴大摻雜光纖的纖芯直徑解決了功率提高帶來的光纖損傷和非線性問題，但光束質量下降。大模場面積光纖設計能在較大程度上降低光纖內雷射模式的數量，但只是部分解決了光纖功率和光束質量之間的矛盾。要獲得高功率的基模光束輸出，必須進行模式選擇。

2000 年，Koplow 等人報導了一個多模雙包層光纖環獲得的單橫模雷射輸出。他們採用的摻鐿雙包層光纖纖芯直徑為25,μm，纖芯數值孔徑0.1，在波長 1,064,nm 處的 V 值為7.4。在光纖不繞環之前，雷射器多模輸出；經過光纖繞環後，除基模之外的其他模式損耗明顯增大，以 LP11 模為例，如圖 6所示：纖芯直徑在 50～100,µm(V 值為 12～24)，光纖內 LP11模的彎曲損耗比基模 LP01 的彎曲損耗至少大幾個 dB，特別是在基模 LP01 的彎曲損耗為 3,dB 時，兩者之差達到 10,dB 以上。最後雷射器光束輸出質量因子 M2 達到 1.09，研究結果證明光纖環的模式選擇作用非常有效。

採用光纖錐是另外一種可行的模式控制技術。通過採用光纖錐，多模纖芯也可以實現單模運行。這種光纖錐一般滿足兩個條件：①LP01 模的插入損耗很小；②其他高階模的插入損耗很大。這樣雷射通過光纖錐射出時，只有基模才能保留。在1999 年 CLEO 會議上，Southampton 大學論述了他們採用光纖錐模式控制技術，將雷射器光束質量因子從原來的 2.6 提高到 1.4。

1.4 雷射合成技術

1.4.1 雷射波長合成

作為雷射合成兩項關鍵技術之一，雷射波長合成技術是雷射功率的一種非相干合成。通過將多個相近雷射波長疊加，在近場或遠場獲得光場分布的疊加，獲得較好的光束質量。在光纖雷射器研究的早期，輸出功率普遍較低，因此雷射波長合成技術受到人們的重視。但是對於較高功率的光纖雷射器，由於雷射功率的提高增加了雷射器光譜特性的不穩定性，造成波長合成後光束質量的下降。為了解決功率和光譜劣化之間的矛盾，提高合成效率，只能在低功率諧振腔內獲得需要的多個穩定波長，在波長合成之前分別進行功率放大，這樣既能獲得穩定的波長輸出，又能獲得需要的功率輸出。有關研究結果採用 MOPA 結構設計實現了上述方案，獲得總 6,W 的雷射功率，合成後光束質量與單個摻鐿光纖雷射器光束質量一樣，M2 為 1.14。

1.4.2 雷射功率相干合成

雷射相干合成技術是近年來雷射合成領域研究的熱點，它的基本思路是將多路雷射束經相干控制後合成一束光，從而由許多中等功率的雷射器獲得高功率的單束雷射輸出，同時保持良好的光束質量。假定參與雷射功率相干合成的光纖雷射器數目為 N，雷射功率為 P，相干合成後總功率理論上將達到 NP，雷射仍然能接近衍射極限輸出。

雷射功率相干合成技術的關鍵是實現各路雷射的相位鎖定。美國空軍研究實驗室 Shay T M 等對 5 路百瓦級光纖放大器進行相干合成獲得了 725,W 的總功率輸出。Kozlov 等人採用一個 2×2 熔融拉錐光纖耦合器的錐形耦合面，與光纖光柵對構成&34;諧振腔，實現了雷射模場空間分布和波長的同時合成。Shirakawa 同樣採用腔內光纖耦合器實現了 2 路和 4 路光纖雷射器的相干合成，效率分別達到 93.6%,、95.6%,。同樣是腔內雷射功率的相干合成，Sabourdy 基於Mach-Zehnder 幹涉原理，演示了 2 路和 4 路光纖雷射器的相干合成，效率分布達到 99%,、95%,，同時實現了 60,nm 寬的波長調諧輸出；在腔內引入一個聲光調製器的基礎上，證明了Mach-Zehnder 光纖雷射器 Q 脈衝相干合成的可行性。

光纖雷射器腔外控制的功率合成技術研究較少，MIT 林 肯實驗室將一個 20,MW 輸出的光纖雷射器分束和相位鎖定，分別放大後在遠場實現了相干合成，合成功率達到10,W，合成效率為 50%,。實驗採用帶寬 25,GHz、功率 20,MW 的光纖雷射器做種子雷射，經過起偏和分束後，一個偏振方向用做參考光束，另外一個偏振方向平分為兩路光進入保偏光纖放大器中分別進行功率放大，放大後小部分光與參考光幹涉，通過反饋系統實現兩路放大光束的相位鎖定，最終實現兩路光遠場相干合成。

總結

近年來，高功率光纖雷射器關鍵技術的研究取得了巨大進展，雙包層增益光纖取代了單包層光纖成為高功率光纖雷射器主要增益介質，光子晶體光纖則是將來可能應用於高功率光纖雷射器的另一種介質；高效率泵浦耦合技術是高功率光纖雷射器的另外一個重點，適應於不同目的的端面泵浦、側面泵浦耦合方式高效而且工藝逐漸成熟；光纖繞環技術和光纖錐技術有效地解決了光纖功率和光束質量之間的矛盾；雷射器波長合成技術對於雷射功率和亮度提高的貢獻有限，而相干合成技術的效率較高，仍然是當前國內外研究的一個熱點。

文章來源：中國電子科技集團公司第四十六研究所