光纖雷射器的最新進展及未來發展

　　光纖雷射器具有結構緊湊、堅固耐用、不易失準和易於熱管理等優點，通常由雷射二極體(LD)泵浦，所用光學元件一般為光纖組件，以光纖熔接的方式耦合。泵浦源可以是單根二極體、一個陣列或者許多分離的二極體，通過光纖輸出頭和耦合器相連接。摻雜光纖使用光纖內部刻寫的光纖布拉格光柵作為腔鏡。

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　　雙包層結構

　　光纖雷射器中光纖一般為雙包層結構，如圖1所示。未摻雜的內包層選擇並傳輸泵浦光。在纖芯中產生受激輻射。通過泵浦，摻雜了稀土元素的纖芯受激產生雷射。非圓柱的內包層結構有六角形、D型、矩形等，降低了泵浦光不向纖芯傳播的機率。

　　

 

　　光纖雷射可以端面泵浦或者側面泵浦，如圖2所示。端面泵浦是一束或多束泵浦光耦合到光纖端面中去。側面泵浦是泵浦光耦合到光纖的一側，通過耦合器耦合到光纖的內包層中。

　　

 

　　泵浦耦合的重點在於將泵浦光耦合進入內包層，使它與光纖的吸收相匹配，進入纖芯產生粒子束反轉，獲得纖芯內的受激輻射。基於光纖內的摻雜以及光纖長度，纖芯具有不同的增益。這是設計所需要的泵浦結構所需要考慮的問題。

　　單模光纖中會存在功率限制。單模光纖纖芯具有很小的橫截面積，結果可以通過高強度光。在高功率密度時，非線性布裡淵散射將變得非常嚴重，限制kW量級輸出功率。如果輸出足夠高，那麼光纖端面將受到損壞。

　　光纖雷射器的特性

　　光纖作為工作介質擁有很長的作用長度，有利於二極體泵浦，也使得光子轉換效率很高，為緊湊、堅固的設計提供了條件。當光纖器件都熔接到一起，就不會有分立的器件需要調節。

　　有一些特殊結構的光纖雷射器。光纖雷射器可以實現單通道放大，其可以同時放大不同波長光廣泛應用於通信領域。光纖放大也用於MOPA結構，目的是產生更高功率的雷射輸出。另一個例子是光纖放大自發輻射光源。還有一個例子是拉曼光纖雷射器，一些新的研究正使用氟化物玻璃光纖代替傳統的石英光纖。

　　然而，通常使用石英玻璃來製作光纖。主要的摻雜元素有鐿(Yb)和鉺(Er)。Yb中心波長在1030～1080nm間，能獲得寬波段的雷射輸出。Yb沒有像Nd一樣在很高的密度下產生自猝滅效應，即使它們能產生相似波段的雷射，Nd被用於傳統雷射器Yb卻被用於光纖雷射器。

　　摻鉺光纖雷射器工作波長為1530～1620nm，屬於人眼安全波段。可以倍頻產生780nm的雷射，這是不能以其他方式獲得的波段。而且Yb可以與Er一同摻雜，這樣Yb吸收泵浦光並傳輸能量到Er。銩是另外一種摻雜元素能夠產生近紅外波段(1750～2100nm)的雷射，也是一種人眼安全材料。

　　高效率

　　光纖雷射是準三能級系統。光子受激躍遷從基態到較高能級，然後光子再躍遷到亞穩態能級，產生雷射。這個過程十分高效：如使用940nm泵源泵浦摻Yb光纖，產生1030nm雷射的量子數虧損(損耗能量)僅有9%，如表1所示，而用808nm泵源泵浦Nd離子，量子數虧損約為24%。Er能在1480或980nm波段被泵浦，後者不是那麼高效，但更為實用。

　　

 

　　總的來說雷射效率由兩個因素決定。第一是泵源的效率。半導體雷射器的電-光轉換效率在50%左右，在實驗室可達到70%或更高。當泵浦光和雷射的吸收峰匹配良好，那麼得到的就是泵浦效率。第二是光-光轉換效率。在小光子缺陷、高激發、高提取效率的情況下，可獲得光-光轉換效率60%～70%，此時電-光效率25%～35%。

　　不同光纖雷射器的結構

　　連續光纖雷射器可以是單模也可以是多模的。單模產生的高質量光束能夠應用在材料領域或大氣傳輸，多模工業雷射則具有高功率。如果應用並不需要產生很高的功率密度，那麼多模的總功率較高將成為優勢，例如對於切割和焊接的熱處理。

　　長脈衝雷射被稱為準連續雷射器，產生ms量級的脈衝，佔空比為10%。這使得脈衝光具有比連續光高十倍以上的峰值功率，對於鑽孔等應用來說非常有利。根據脈寬可將重複頻率調製達500Hz。

　　調Q光纖雷射器脈衝寬度在ns量級到ms量級之間，光纖越長，輸出脈衝越寬。由於纖芯橫截面積小，非線性效應明顯，限制了峰值功率的提高。可以通過傳統Q開關獲得高峰值功率，也可以通過將光纖Q開關和端面熔接獲得。調Q脈衝可以在光纖或者固體中放大。例如NIF利用光纖作為192路雷射的主振蕩器，光纖雷射器產生的小脈衝被大的摻雜玻璃製成的板條放大為mJ量級。

　　在鎖模光纖雷射器中，重頻取決於增益介質的長度，脈寬取決於增益帶寬。可以獲得的最短脈寬在50fs左右，典型脈寬為100fs。可以通過振蕩器-放大系統和外部的啁啾脈衝放大(CPA)以及脈衝壓縮產生更短的脈衝。

　　具有小纖芯的光子晶體光纖可以得到很強的非線性效應，用於超連續譜的產生等應用。也可以拉製成大單模纖芯以避免高功率下的非線性效應，用於高功率，並將光纖纏繞可消除高階模。基於非線性效應產生諧波，產生更高頻率和更短的波長。也可以使脈衝壓縮，產生頻率梳。

　　

 

　　在超連續譜光源中，通過自相位調製，很短的脈衝能產生很寬的連續光譜。例如，在Yb光纖雷射器中產生的1050nm、脈寬6ps的脈衝，可以獲得從紫外到1600nm的光譜，如圖3所示。另一個超連續譜光源工作在紅外領域，由1550nm的摻Er光纖雷射器泵浦，所獲得光譜隨著脈衝寬度而改變，可達2200nm。

　　高功率光纖雷射器

　　作為光纖雷射器最大的市場，工業界現在最大的興趣就是自動化。使用高強度鋼材生產汽車，如何切割鋼材是一大難題。在鋼材上鑽孔很困難，然而光纖雷射器卻可以輕鬆做到。對於材料加工，光纖雷射器具有其他雷射器所不具備的優勢。例如金屬對於光纖雷射器的近紅外波長雷射吸收良好。光束被光纖傳輸使得機器手可以輕鬆移動光束的焦點，方便切割和鑽孔。

　　光纖雷射器可滿足極端功率需求。美國海軍海上系統司令部去年測試了海軍雷射武器系統(LaWS)，該系統擁有六路光纖雷射器，每一路都能輸出5.5kW雷射，非相干合成到一路光中通過光束定向器輸出，如圖4所示。該33kW系統用於射擊一架無人機。儘管光束並非單橫模，但由於其由標準且簡單的元件組成，引起了廣泛關注。

　　由IPG公司得到的單根光纖所能輸出的最高單模功率為10kW。在系統中主振蕩器獲得了千瓦的雷射，耦合到由1018nm雷射泵浦的放大器中。整個系統的大小約和兩臺冰箱一樣。多模的最高輸出也是由IPG公司獲得的，為50kW。該系統基於非相干合成，BPP為10，M2達到了33。

　　光纖雷射在高功率切割和焊接方面也有其他的應用，如代替了電阻焊在高速鋼板上的應用，解決了電阻焊造成的材料變形的問題。

　　

 

　　混凝土鑽孔

　　4kW的多模光纖雷射器已被用於混凝土切割和鑽孔。為什麼要用雷射切割混凝土呢?因為建造抗震建築物時，需要謹慎對待混凝土。傳統的衝擊鑽孔會使混凝土裂縫並變得脆弱，而光纖雷射器卻可以實現無縫切割。

　　調Q光纖雷射器可用於材料處理，例如雷射打標或者半導體電子產品的製造。也可用於雷射雷達，一塊手掌大小的模塊，裡面就包含了重頻50kHz、峰值功率4kW、脈寬5～15ns的眼安全摻鉺光纖雷射器。

　　小功率的光纖雷射器在微米或納米級製造上的應用正在引起廣泛關注。對於表面燒蝕，如果脈寬小於35ps，將不會再有材料飛濺、消融，消除切割中切口和其他瑕疵產生。fs領域對波長不敏感的非線性效應的雷射，不會對周圍區域產生熱效應，使得材料處理不會對周圍區域產生損壞或削弱，並且可以使孔有很大的縱橫比。

　　也可以對透明材料進行表面加工，例如對人眼。在LASIK手術中為了切割角膜基質層，fs脈衝聚焦到人眼附近，對周圍不造成傷害的情況下，在一個可控深度下擊穿人眼。角膜基質層可以拉起來供準分子雷射切削。超短雷射在醫學上的其他應用包括皮膚學中的淺穿透、OCT技術等。

　　fs光纖雷射在科學研究中的應用包括雷射誘導擊穿光譜、時間分辨螢光光譜以及材料研究。也用於產生fs頻率梳。近期頻率梳的應用是在未來一代GPS衛星上使用的原子鐘，使其對地面上的位置解析度更精確。

　　單頻光纖雷射器可達到線寬小於1kHz，該設備非常小，輸出光在摻鉺光纖輸出帶，輸出功率在10mW到1W之間。它可用於通信、計量學(如光纖陀螺)和光譜學。

　　

 

　　光纖雷射的未來

　　和其他研究一樣，光纖雷射器仍有很多內容需要繼續研究。例如用相干合成或光譜合成的辦法，合成光纖雷射成為高光束質量的單光束。光纖雷射器在工業應用上正在迅速發展，特別是在自動化領域。透過價格和性能這些改進來看，更實用的飛秒和超連續譜源會出現。光纖雷射器正在推進超越自身的市場，已經進軍其他市場，它也是推進其他雷射器變得更好的動力。