全光纤激光器

大功率光纤激光器主要有两种谐振腔结构：一种是传统光学谐振腔，使用块状光学元件构成空间耦合谐振腔镜并实现泵浦耦合；另一种是采用全光纤元件的全光纤激光谐振腔。这两种结构的光纤激光器都采用掺稀土离子的光纤为增益介质。

其中，空间耦合结构的谐振腔与传统固体激光器谐振腔相同，两块镀膜镜片起着正反馈、选模和输出耦合的作用，它们构成激光谐振腔的反射大功率全光纤激光器及其关键器件技术研究 腔镜。这种空间耦合的激光器在实际应用中有较多缺点：（1）环境机械振动和温度的变化易使空间耦合的谐振腔漂移而无法正常输出激光；（2）两块谐振腔镜对环境洁净度和温度、湿度等都有较高要求；（3）这种空间耦合的谐振腔难以封装，不利于光纤激光器的实用化和商品化；（4）需要二色镜和透镜组来完成泵浦光耦合和激光谐振，这些元件都会产生损耗，增加激光器阈值，降低激光转换的斜率效率。这些缺点使空间耦合的光纤激光器在实际使用中经常需要专业人员来进行维护，实际使用价值大大降低。

全光纤结构的激光谐振腔使用全光纤元件，通过光纤熔接的办法使整个激光谐振腔形成一个整体。这种结构不仅使光纤激光器的结构简单、紧凑、免于维护，而且泵浦光的耦合效率高达 95% 以上，在实际中有重要的应用前景。

激光谐振腔由包含掺杂稀土离子的双包层增益光纤和一对熔接在增益光纤两端的光纤光栅组成。其中，一个具有高反射率(R>99%)光纤光栅为激光器的高反射腔镜，另一个 R≈10%的低反射率光纤光栅构成谐振腔的输出腔镜。分别将一个 N×1 型和一个(N 1)×1 型多模泵浦耦合器的输出端与高、低反射率光纤光栅熔接，并将泵浦输入光纤与大功率半导体泵浦模块的输出尾纤熔接在一起，就使大功率泵浦光直接耦合进入双包层增益光纤。其中，(N 1)×1 型多模泵浦耦合器包含有一根信号激光输出光纤，通常会在输出光纤端面制作端帽以避免被大功率输出激光损伤。

与传统的激光器相比，全光纤激光器具有以下优点：

（1）全光纤激光器结构简单、体积小巧、重量轻，光纤输出特点在实际应用更为灵活方便。全光纤结构借助光纤耦合器，将泵浦源的尾纤与增益光纤熔接为一体，避免了用二色镜和透镜组提供激光反馈带来的损耗，从而简化了激光器的结构，降低了激光器的阈值，提高了激光转换的效率，使激光器的结构更加紧凑稳定、性价比高，并且可在高冲击、高震动、高温度、有灰尘等恶劣的环境下正常运转。

（2）易于实现较高的转换效率和高功率输出。由于双包层光纤内包层的横截面尺寸和数值孔径都比较大，半导体泵浦光在光束整形后，可以高效地耦合进入光纤内包层。因此，通过设计合适的内包层参数和形状，再选择发射波长和光纤吸收特性都与增益光纤相匹配的半导体激光器为泵浦源，可使基于双包层增益光纤的全光纤激光器实现高效率、大功率的激光输出。

（3）优良的散热性能。传统的固体激光器由于激光介质的热效应会使光束质量及效率下降，因而难于实现较高功率的激光输出，为此，激光器在运行过程中需要有效的散热系统对激光介质进行冷却。而增益光纤具有很高的“表面积/体积”比（约为传统的固体激光器增益介质的 1000 倍以上），使全光纤激光系统具有良好的散热效果，并可在温度为-20℃~ 70℃的环境中工作。

（4）高输出激光光束质量。大模场双包层光纤的纤芯一般有较小的归一化频率 V（与纤芯直径 d 和数值孔径 NA 有关），是基模和少数高阶模传输的波导，波导结构不会因受热而有较大变化。并且，基于大模场双包层增益光纤的全光纤激光器一般采用盘绕增益光纤的方法来使高阶模有较大的损耗，使激光器运行在单模输出状态。此外，光纤光栅具有较窄的反射谱、较好的波长选择特性和低损耗特性。使用光纤光栅作全光纤激光器的谐振腔镜，使激光器具有较高的信噪比和较窄的线宽，因而获得较为理想的光束质量。

（5）可设计激光器在很宽光谱范围内（455nm-3500nm）运行，并能实现可调谐输出。相当多的可调谐参数和选择性使光纤激光器能在很宽的光谱范围内设计和运行，并可实现较宽范围内的波长调谐，具有很好的单色性和稳定性。

1961 年，Snitzer 等人使用光纤作为增益介质制成了世界上第一台光纤激光器。随后，又采用侧面泵浦技术研制成功了 Nd3 掺杂的光纤激光器，这台光纤激光器的耦合效率非常低，激光输出光束质量也很差。后来，Burrus 和 Stone 使用轴向泵浦技术改善了泵浦耦合效率。1988 年，双包层光纤以及包层泵浦技术的出现为提高光纤激光器的输出功率和转换效率提供了有效途径。基于这种包层泵浦技术的光纤激光器在 1999 年实现了 110W 的单模连续激光输出，改变了光纤激光器只能作为一种小功率光子器件的历史。

高功率光纤激光技术取得的进展与大亮度光纤耦合激光二极管的技术进步紧密相关。一些新型高亮度二极管阵列具有增加的腔长，并与高亮度匹配微光学元件相结合，使单阵列中的多个发光点直接耦合入直径 100μm 的光纤中。而大于200W 的更高功率的泵浦模块，泵浦光纤的直径可以增加到 200μm，通过光学叠加和偏振耦合，将 6 至 10 个更多的阵列单元耦合到单根直径为 200μm、数值孔径 0.2 的泵浦传输光纤中。激光二极管通过一个较大的铜热沉散热，从而可以使用工业用水或高性能半导体制冷器进行冷却，而不需要使用冷却微通道叠层所需的去离子水。具有四个激光二极管阵列的 976nm 光纤耦合模块，能通过 200μm的光纤实现超过 200W 的功率输出。现在，基于标准商用光纤、组件和 976nm 激光二极管，实现输出波长 1μm 的千瓦级全光纤激光技术已经逐渐成熟。

随着大模场面积双包层掺杂光纤制造工艺和高亮度激光二极管泵浦技术的发展，单模双包层光纤激光器的单光纤输出功率正以惊人的速度提高。Gapontsev 指出，光纤激光器的输出功率水平按每年翻番的速度增长。英国 SPI 在 2003 年 8 月制成1kW(波长 1090nm,M2=3)的光纤激光器。他们于 2004 年 12 月研制成功 1.36kW连续光纤激光器，该激光器采用双端泵浦 12m 长的双包层光纤(纤芯径 40μm，NA<0.05)，采用两个 975nm 波长的 LD 泵浦模块，总泵浦功率为 1.8kW，斜率效率为 83%，输出激光波长在 1.1μm，光束质量因子 M2=1.4。他们还预言，通过对掺杂光纤更先进的设计和采用更高功率的泵浦源，单根光纤的输出功率可高达万瓦。2009 年 6 月，美国 IPG推出了上万瓦的单模光纤激光器产品，多模连续光纤激光器输出功率已达 50 kW，电光转换效率高于 25%。在光纤放大器方面，Nufern 也推出了 kW 量级窄线宽高功率单模光纤放大器系统。

但是，受限于掺杂光纤的非线性效应（如受激拉曼散射和受激布里渊散射）和纤芯的光热损伤等物理现象，光纤激光器的单光纤输出功率最终有限，而且光束质量也会随输出功率的提高而变差。为此，常采用激光器阵列合束的方法来获得更高激光输出功率，以满足工业加工、空间光通讯、遥感和国防等对大功率激光的需要。按激光器阵列单元之间的相位关系，激光合束技术分为相干和非相干合束两大类。其中，相干合束技术被认为是获得高功率、近衍射极限的光束输出的有效方法。已经有大量的实验对光纤激光器的相干合束进行了报道。如 2009 年，美国空军实验室的 Shay 等实验了 5 路百瓦级光纤放大器的相干合成，获得 725W 功率输出。然而，光纤激光阵列获得的相干合束功率仍没有突破千瓦量级。

相干合束技术由于要求激光器阵列元之间严格的满足相位关系而使系统结构复杂，不利于获得高相干性、高功率的激光合成输出，这一点可以从气体、化学、半导体和固体激光等各种激光光束相干合束的实验中分析得出。例如，美国Northrop Grumman 公布的 JHPSSL 项目于 2009 年通过 7 路 15kW 级固体激光阵列相干合束获得 105kW 高功率固体激光输出，但是实际的主瓣功率只有约 11.5kW，光束质量并不理想，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实质上往往只是部分相干合束，对较大功率激光器阵列的光束合成高光束质量激光输出仍有待于突破。

非相干合束技术使激光器阵列的输出光束沿同一传输轴传播合为一束, 实现功率的标量叠加。这种技术对各阵元输出光束的相位没有限制，只要求激光阵列的波长处于组束元件的频谱范围内。2009 年，美国海军实验室 Sprangle 使用自适应的光学反射镜实现了 4 台光纤激光非相干合束输出 3kW 功率。同年，德国的Wirth 也实验了 4 路 MOPA 结构光子晶体光纤放大器的外腔非相干合束，实现2065W 激光输出。与相干合束相比，非相干合束方法结构简单、系统稳定且易于控制, 近年来逐渐成为光纤激光领域的研究热点。 解读词条背后的知识 迪亚哥谈激光切割技术 专注激光切割设备最新技术、维修保养知识等

全光纤激光器的特点和优势

全光纤激光器具有许多显著特点，这使其在众多方面展现出明显的优势。1. 增益介质的表面积/体积比大光纤激光器采用光纤做增益介质，具有很大的表面积/体积比，这使其具有非常好的散热性能，因此，及时非常高功率的光纤激光器，增益介质也不会受到热损害，一般无需对增益介质采取特别的散热措...

大功率全光纤激光器的一系列优点使之在工业加工、材料处理、生物医学、国防军工等领域展现出巨大的应用前景。

在通讯领域，光纤激光器的发展推动了全光通讯网络的发展。随着信息需求量的迅速增长, 光纤通信传输速率已经从每秒几十兆比特发展到每秒太比特以上，这对光纤激光放大器提出了越来越高的要求。掺铒光纤激光器虽然能够提供处于两个低损耗通讯窗口 1.30μm 和 1.55μm 波段的激光，但掺铒光纤放大器因为依赖于单模激光二极管泵浦而使输出功率比较小，越来越难以满足对多波长信号放大的要求。喇曼光纤放大器可以工作在光通信窗口的任意波长处, 但喇曼光纤放大器需要单模高亮度的泵浦光。而双包层掺镱光纤激光器使用包层抽运技术将几个激光二极管的多模激光转变为单模高亮度的泵浦光束，解决了拉曼光纤放大器的泵浦源问题，使喇曼光纤放大器为光信号在线大功率放大成为可能。

在工业加工方面，利用激光与物质相互作用的特性对材料进行切割、焊接、表面处理、打孔及微加工等造就了大功率激光器市场最广阔的应用前景。与机械加工相比，激光加工具有加工对象广、非接触加工、公害小、速度快、可自动控制等优点，因而有“未来制造系统的共同加工手段”之誉。随着光纤激光技术的快速发展，光纤激光器不仅输出功率迅速提高，而且在电光效率、光束质量、运行成本、寿命等许多方面都表现出明显的优势，这使得光纤激光器已成为目前世界上最受关注的激光器之一。IPG 的商用化的光纤激光器连续输出功率已上升至万瓦量级，已被应用于工业生产和国防研究之中。2008 年，美国海军从IPG订购 8 台 5kW 的光纤激光器用于军事研究。同年 7 月，德国购买 IPG 16 台千瓦级连续光纤激光器，总功率 63kW，用于一条新的车门焊接生产线。工作波长在 1060-1200 nm 的掺镱大功率光纤激光器以极高的效率和功率使其在工业加工方面具有代替其它激光器的巨大应用前景。

在激光打标领域，光纤激光器较高的光束质量和定位精度使之取代效率不高的 CO2 激光器和闪光灯泵浦的 Nd:YAG 脉冲激光打标系统，用于集成电路和半导体芯片打标系统。此外，光纤激光器也常用于塑料和金属打标。

国防军事领域需要高功率、光束质量好的激光器来制作激光武器。光纤激光器对工作环境要求低、结构紧凑、输出臂机动灵活等特点，使之能有效用于飞机、车辆等多种平台，是高能激光武器最具前景的发展方向。高功率光纤激光器的光功率密度可达到 MW/cm量级，输出能量高度集中，足以摧毁任何坚固的目标。大功率光纤激光器还可作为防御武器使用，如美国军方在 2002 年就使用 IPG 生产的 2000 W 光纤激光器，在阿富汗成功执行扫雷任务。美国在 2010 年的一次秘密军事试验中，首次使用舰载大功率光纤激光器发射强激光束，在距离约为 2英里远处击中时速 300 英里的无人机。

在医疗方面，许多内外科手术中用光纤激光作手术刀。大功率光纤激光器用于手术，使组织脱落和光致凝结手术的时间大大缩短。在眼科手术中，连续掺铥光纤激光器能使角膜成形手术的成功率更高，还可以治疗远视、近视等眼科疾病。由于光纤的柔韧性和光纤激光器光束质量好，在心血管手术中可使光纤进入人体内排除肿瘤或各种血管淤积物。在整形美容手术中，2μm 波长光纤激光器在治疗皮肤癌和去纹身方面也取得了良好效果。此外，功率为几瓦的掺铥光纤激光器能为外科手术提供较大的高能辐射，在显微外科手术中扮演了重要角色，而且在红外保健方面也有应用。

大功率光纤激光器应用于石油矿产领域，在建井和完井作业中发挥出色作用。光纤激光器通过光纤向井下提供所需要的能量，与常规工业激光器相比，工作效率更高、光束质量更好、机动性更强，在使用寿命期间基本上不用维修。2003 年，美国天然气技术研究所(GTI) 使用 5.34 kW 大功率激光器进行的井下射孔实验表明，大功率光纤激光器因具有较高光束质量使其能够破碎任何岩石，因而在此应用领域体现出其巨大优势。

激光的应用被称为是人类使用工具的第三次飞跃，而光纤激光技术的成熟使得大功率光纤激光器从实验室真正进入大规模工业应用。在能源日益短缺的时代，大功率光纤激光器较高的电光转换效率使其可以大幅度减少能耗，在节约资源等方面做出越来越多的贡献。光纤激光器已经或正在许多应用领域替代化学、气体和普通固体激光器，对激光器市场产生了革命性的改变，也是未来激光器发展的必然趋势，是“激光产业的新宠儿”，被誉为“第三代激光器”，具有广阔的应用大功率全光纤激光器及其关键器件技术研究前景。