调Q光纤激光器

高功率光纤激光器分为连续光纤激光器和脉冲光纤激光器。激光器在连续工作方式下，光纤承受的功率密度会随着输出功率和能量的提高而不断增大，导致非线性效应(受激喇曼散射和受激布里渊散射等)、光纤端面损伤等问题的产生，从而限制了平均功率的进一步提高。相比之下，脉冲光纤激光器可以在小的脉冲能量下获得较高的平均功率，即具有更高的靶面密度和光束质量，使加工速率提高 100 多倍。因此，脉冲光纤激光器更适合工业加工的需求，是高功率光纤激光器的发展趋势。

实现脉冲光纤激光器的技术途径主要有调 Q 技术、锁模技术和种子源主振荡功率放大(MOPA)技术。锁模技术可以实现 fs 量级的脉冲输出，且脉冲的峰值功率较高，一般在 MW 量级，但是其输出的脉冲平均功率较低;MOPA 技术可以获得高能量、高功率的脉冲输出，但一般需要在种子源激光器的基础上进行多级放大;调 Q 技术是一种获得高能量短脉冲的有效方法，在调 Q 过程中，增益介质在存储到足够多的能量之前，整个激光器谐振腔保持较高的腔损耗，随后腔损耗迅速降低至一个很小的值，使腔内存储的能量以激光辐射的形式瞬间释放，形成窄脉冲输出。

调 Q 光纤激光器可以获得脉宽为 ns 量级、峰值功率为 kW 量级、脉冲能量为 mJ 量级的脉冲激光。虽然与可以获得焦耳级脉冲能量的固体激光器相比较小，但是较窄的脉冲宽度和较高的峰值功率使其在许多领域具有独特的应用价值，特别是在打标和精密加工领域。因此，研究高功率调 Q 光纤激光器具有重要的实际意义。

激光器发明不久,人们就于1962年实现了调Q激光器。调Q激光器是实现高能量激光脉冲的有效手段,通过在激光器腔内对腔损耗进行调制,来调节激光器的Q值。在每个周期的大部分时间内使腔维持在高损耗,在激光器工作物质上下能级反转粒子数累积到一定值时,突然降低腔内损耗,从而腔内迅速建立激光振荡,并输出一高能量脉冲,直接输出的脉冲能量达到mJ,脉宽在数纳秒到百纳秒之间。调Q光纤激光器根据调Q方式可以分为两类,主动式调Q和被动式调Q。主动调Q需要在腔内使用电光开关或声光开关来控制腔内Q值。被动调Q需要在腔内插入可饱和吸收体,例如使用了Co:ZnS晶体或者Cr:YAG晶体等做可饱和吸收体,如图1.n所示,但调Q用可饱和吸收体的激发态弛豫时间需要比腔内脉冲往返一次的时间长,也可以使用未泵浦的掺稀土离子光纤或半导体可饱和吸收体。1986年,LP. Alcock首次报道了调Q光纤激光器,利用声光调制器作为调Q元件,在掺Nd光纤激光器中实现了峰值功率8.8w的输出。随后R.J.Mear也报道了类似结构的掺Er光纤调Q激光器,此后由于调Q光纤激光器兼具调Q激光器和光纤激光器的优点,在分布式传感、激光测距、时域反射测量、生物医疗等领域有着广泛的应用,所以引起了人们的广泛兴趣和深入研究。近年来,通过使用大模场增益光纤,脉冲能量可以达到数个mJ配合使用MoPA结构,脉冲能量则可以超过数十个mJ,峰值功率超过ZMW。此外,光纤中的受激布里渊散射效应(sBS)被发现也可以作为等效可饱和吸收体实现被动调Q,优点是可以得到峰值功率更高的、持续时间更短的Q脉冲,并且结构简单,可实现全光纤结构,但目前待解决的问题是由于SBS的随机性导致脉冲稳定性不理想。

20 世纪 80 年代中期，随着稀土掺杂光纤的出现，最初的调 Q 技术是在晶体和玻璃光纤激光器中实现的。如最初研究的调 Q 掺 Nd、掺 Er 光纤激光器，随后掺 Yb、掺 Pr 和掺 Tm 光纤激光器也被人们研究。随着光纤光栅的发展，光纤激光器结构变得越来越紧凑，同时实现了全光纤化调 Q 光纤激光器。

国外主要研究单位有:墨西哥国家研究所、德国阿贝光子学中心(耶拿大学)、美国 NP 光电有限公司、美国亚利桑那大学、土耳其比尔肯大学、俄罗斯科学院物理研究所、西班牙巴伦西亚大学、马来西亚大学、印度理工大学、韩国首尔大学、挪威科技大学、加拿大瑞尔森大学等。其中，英国 SPI、德国 IPHT、美国密歇根大学和 IPG 公司的研究水平最突出。

由于各种不同增益光纤和腔结构的采用，很多文献中报道了不同的实验现象，并提出了相应的解释。1986 年，Mears 等人发表了关于掺铒光纤激光器的调Q 实验，获得的脉冲波长为 1550nm，脉冲宽度为 30ns，在 800Hz 重复频率下脉冲的峰值功率为 120W。

Myslinski 等人通过使用一段 0.6m 掺铒光纤，一个 250mW 波长为 514nm 的泵浦源，以及一个声光调制器构成了一个线形腔结构的调 Q 激光器，获得了脉冲宽度 8ns，1kHz 重频下峰值功率为 230W 的 1550nm 调 Q 脉冲。

2012 年，墨西哥 A.Gonzalez-Garcia 等人搭建了 Er/Yb 共掺声光调 Q 光纤激光器系统。以二向色镜和光纤干涉环做激光器谐振腔。获得了 1549nm 脉冲激光，重复频率 45kHz-120kHz 范围内可调，最小脉冲宽度为 34ns，平均功率为 4W，光-光转换效率为 50%。

2013 年，英国阿斯顿大学 D.saez-Rodriguez 等人在掺铒光纤激光器中插入腔内损耗调制器，通过控制在包层模中传输功率的动态衰减产生脉冲。该动态衰减通过一个压电式传感器的侧向压力产生。最后在 0-2kHz 重频内，获得峰值功率为 4kW，脉冲宽度为 80ns 的光脉冲。

然而，靠单纯的调 Q 技术无法获得更高功率、能量的脉冲，市场上主要的纳秒脉冲光纤激光器系统都是采用基于主振荡功率放大(MOPA)的方法。MOPA结构中种子源性能的好坏决定了最终输出的脉冲光束质量的优劣，所以它的优点在于种子源选取的灵活性，可以选择输出特性良好的种子源实现高品质的脉冲激光输出，并通过不同纤芯尺寸的增益光纤进行多级放大，实现高功率输出的同时解决了光纤中的热损伤和非线性效应问题。

2012 年，土耳其 I.Pavlov 等人报道了一个全光纤单模 1550nmMOPA 系统。系统中种子源采用全光纤调 Q 激光器，其脉冲宽度为 15ns。输出种子脉冲激光通过铒镱共掺双包层光纤进行三级放大，最终获得的脉冲能量为 0.2mJ，脉冲宽度为 10ns，峰值功率为 20kW，平均功率大于 10W。该峰值功率是 1550nm 波长单模脉冲光纤激光系统的最高水平。

同年，美国 NP 光电有限公司搭建了基于 MOPA 结构的掺铥调 Q 脉冲光纤激光器系统。其掺铥调 Q 种子源激光器中采用压电换能器(PZT)为调 Q 元件，获得波长为 2um 的脉冲输出。其脉冲能量为 0.95mJ，脉冲宽度为 15ns，峰值功率大于 63kW。 美国亚利桑那大学在 2012 年，使用电光调制器直接调制连续单频光纤激光 器，使用掺铒光纤做预防大，单模偏振保偏高浓度掺杂的铒镱共掺大芯光纤做主放大级增益介质。最终实现的脉冲参数为:1550nm、0.38mJ、3ns、128kW、10kHz。

实验室领域里，2012 年德国阿贝光子学中心得到的脉冲能量为目前最高水平。实验系统的两级放大光纤采用大孔径光子晶体光纤，且种子光源采用声光调 Q 结构，其中的增益光纤也为大孔径光子晶体光纤。实现了重复频率 5kHz下，平均功率 140W，脉冲宽度 60ns，脉冲能量 26mJ 的脉冲输出，其光束质量优于 1.3。

商业领域里，基于 MOPA 结构的调 Q 光纤放大系统的最高纪录由美国 IPG公司保持。脉冲重复频率 50kHz 时，平均功率为 500W，脉冲能量大于 10mJ，脉冲宽度为 100ns。

国内只有少数单位在这方面进行研究，主要研究单位有:北京工业大学、天津大学、国防科技大学、浙江大学、清华大学、上光所等。其中以国防科技大学、天津大学、上光所的研究工作最为突出。

2009 年，浙江大学报道了基于 MOPA 结构的全光纤线偏振单模掺镱脉冲光纤激光器。以光纤型声光调 Q 激光器作为种子源，双包层偏振保偏光纤为增益介质，最终获得的脉冲平均功率为30W，脉冲宽度为30ns，光束质量2M 1.36。

2011 年，北京固体激光技术重点实验室实现了全光纤结构的 MOPA 型掺镱光纤激光器。系统中采用声光调 Q 方案搭建种子激光器，利用双包层掺镱光纤进行两级放大，最终获得平均功率 102.5W、脉冲宽度 240ns 的脉冲输出。

2012 年，国防科技大学利用声光调 Q 技术设计并搭建了声光调 Q 脉冲光纤激光器，输出脉冲激光的脉冲宽度为 86ns，平均功率可达 84mW，单脉冲能量为 0.84mJ，峰值功率为 10kW。同年，利用上述声光调 Q 激光器作为种子源，进一步搭建了主振荡功率放大系统，最终获得了平均功率 62W、脉冲能量 6.2mJ、脉宽 157ns、峰值功率 37.1kW 的光脉冲。其光-光转换效率为 61.3%，2M 3.1。

国防科技大学在高功率脉冲光纤激光器的实验研究方面一直处于国内较高水平。2014 年，在主振荡功率放大脉冲激光系统方面再创佳绩。其种子源采用在 1064nm 连续光纤激光器外部进行电光强度调制(EOIM)的方法，并采用大模场面积掺镱光纤进行两级放大。实现脉冲宽度约 3ns，平均功率 913W，峰值功率为 28.6kW 的脉冲激光。首次实现了千瓦级窄线宽纳秒脉冲光纤激光器。

2013 年，天津大学采用声光调 Q 结构做种子源并结合 MOPA 结构，所有增 益光纤都采用双包层掺镱光纤，最终实现平均功率大于 230W、峰值功率 1.64kW、脉冲宽度为 1.4us 的脉冲输出,其光-光转换效率为 72.81%，光束质量2M 1.5。

综上，多采用 MOPA 结构的调 Q 光纤激光器实现高功率纳秒级脉冲输出，输出单脉冲能量较高、平均输出功率较大。其作为种子源的调 Q 光纤激光器多采用声光调 Q 技术。与其他调 Q 技术相比，声光调 Q 技术最为稳定。

调 Q 光纤激光器由于具有光束质量好、亮度高、效率高、波长可选、易于集成等优点，近年来在许多领域引起了人们的广泛关注。如工业、通信、医学、军事等领域。

工业加工领域使用的光纤激光器主要有连续和脉冲两种类型。连续光纤激光器可以提供高达千瓦级的平均功率，常用于具有一定厚度的陶瓷、金属等材料的均匀切割和焊接等，但其主要缺点是激光的靶面密度较低，加工粗糙。而脉冲型光纤激光器可以获得高重复频率、高峰值功率的脉冲，与连续光纤激光器相比，调 Q 脉冲光纤激光器具有许多独特的优势:1、热畸变小，毛刺少，边缘光滑，可以避免微裂纹及碎屑产生;2、峰值功率高，脉宽小，可以提高加工精度和加工质量，实现微细加工;3、使金属深度加工成为可能，且可以实现可视性较好的打标等。

20 世纪 60 年代，随着微波技术的成熟，具有更高频率的光波通信技术的发展成为必然。光波分复用(OWDM)、光时分复用(OTDM)等技术的出现使光纤通信得到迅速发展。特别地，掺铒光纤放大器(EDFA)以及一些光无源器件的实用化使密集波分复用(DWDM)成为了可能，大大增加了传输容量，实现了高功率、长距离传输。 微波和电缆通信的载波是电波，相比之下，光波的频率较高，比较适合作宽带信号的载频，而对于传输介质，光纤比电缆的损耗要低得多。因此，以光波为载波的光纤通信具有许多独特的优点:

1、频带宽，传输容量大。理论上单根单模光纤的可利用带宽可达 20THz，而在一根光缆中可以容纳成百上千的光纤，再加上波分复用(WDM)、频分复用(FDM)等技术，可以大大增加光纤传输系统的容量。

2、损耗低，中继距离长。铜缆的损耗特性不仅与本身结构参数有关，还与传输信号的频率有关;而光缆的损耗特性仅与本身介质参数有关。因此，提高光缆的制作工艺可以大大降低损耗，增大中继距离。目前 1550nm 通信波长的光纤损耗最低，为 0.2dB/km。

3、具有抗电磁干扰能力。光导纤维是由SiO2 材料制成，它是一种绝缘材料，不受任何电磁场的干扰。即使在雷电天气甚至是核辐射的环境中，也可以实现正常的信号传输。

4、安全，重量轻。由于玻璃材料不易导电，安装时较安全，且与金属电缆材料相比，重量轻，便于安装。

5、通信质量高，保密性好。

6、节约有色金属。

针对未来的工业加工设备，特别要求实用化、高可靠性的脉冲光纤激光器要具有以下四方面特点:

1、高的平均输出光功率。随着全球制造业的新一轮产业升级以及智能手机、平板电脑、LED、触摸屏等娱乐和显示设备的飞速发展，全球市场对激光器尤其是脉冲光纤激光器的需求增长很快，近三年累计增长了 26.25%，并且随着现代企业对产品质量和生产效率的要求不断提高，具有高平均输出功率的脉冲光纤激光器的需求也就越来越大。

2、窄的脉冲宽度。现代工业的不断发展和工业产品加工精度的不断提高，要求脉冲光纤激光器不但要有高的平均输出功率，还要具备窄的脉冲宽度的特点。否则加工过程中会存在热影响区域大、微孔表面存在熔渣和再铸层、加工边缘有大量毛刺和残渣、微裂纹等问题，严重影响激光加工的精度和效率，进一步影响企业产品的精密度和复杂度，最终将制约整个产业链升级的进程。

3、好的光束质量2M 。在激光加工中，影响激光热加工的因素很多，对于激光束，主要是光束能量分布、聚焦焦点大小、光功率密度等参数。其中光束质量是最重要的参数之一，它是评价脉冲光纤激光器加工能力的重要参数。光束质 量直接决定了激光加工的精度，只有好的光束质量的激光束才适用于微细精密加工。因此，好的光束质量对于脉冲光纤激光器乃至激光加工都是必要并且重要的。

4、低的非线性效应阈值和光学损伤。脉冲放大后所得到激光脉冲峰值功率及单脉冲能量都非常高，随着峰值功率的提高，光纤中光的功率密度很高，当其值达到一定程度时，就会产生非线性效应，如受激布里渊散射或者受激拉曼散射等。严重限制放大器的平均功率放大水平，并影响脉冲的光束质量。同时，必须考虑由于高功率引发的严重光学损伤问题，光纤端面的损伤限制了高功率光纤激光器的长期稳定工作。因此，为得到具有高能量的脉冲，必须对激光器内非线性效应和光学损伤进行合理的控制。

综上，在未来的激光加工中，要求脉冲光纤激光器不仅要有高的平均输出光 功率、窄的脉冲宽度、高的重复频率，还必须具备好的光束质量。

2002年南开大学报道了在掺Yb3 + 双包层光纤器中得到了脉宽4. 8ns 的自调Q 脉冲输出和混合调Q 双包层光纤激光中得到峰值功率大于8kW ,脉宽小于2ns 的脉冲输出。

2003年南开大学报道了利用脉冲泵浦获得100kW 峰值功率的调Q 脉冲,以及得到的60nm 可调谐的调Q 脉冲。

2003年11月20日报道，上海科学家在激光领域取得新成果，成功开发出输出功率高达107W的光纤激光器。此激光器的全称为"高功率掺镱双包层光纤激光器"，与已有的激光器相比它的维护费用和功率消耗都要低得多，寿命是普通激光器的几十倍。该课题组的负责人之一楼祺洪研究员告诉记者，激光打印有着广泛的应用前景，与市民生活直接相关的如食品的生产日期、防伪标志等，若以激光打印代替油墨打印清晰度高、永不褪色、难以仿冒、利于环保，具有国际流行的新趋势。上海科学家研制的光纤激光器使光纤激光输出功率又上升了一个新台阶，最大输出功率达107W，已经遥遥领先于全国同行。

2004年，南开大学又报道了连续泵浦206kW峰值功率的调Q 脉冲。

2004年12月3日，烽火通信继推出激光输出功率达100W以上的双包层掺镱光纤后，经过艰苦的攻关再创佳绩，将该类新型光纤的输出功率成功提高至440W，达到国际领先水平。

2012年，国内首台拥有自主知识产权的1000W工业级光纤激光器在西安诞生。这一科研成果的产业化，不仅将满足我国工业加工领域对高功率光纤激光器的市场需求，同时也将打破国外高功率光纤激光器的市场垄断局面，推动我国光纤激光加工产业进一步发展。

2012年11月，华工科技旗下华工激光与锐科公司共同研制的4千瓦光纤激光器，通过了省级科技成果鉴定。鉴定专家组主任委员、中国光学学会理事长周炳琨院士指出，这项技术填补了国内空白，达到国际先进水平，获得4项国家发明专利。[5]

光纤激光器作为第三代激光技术的代表，具有其他激光器无可比拟的技术优越性。不过，我们认为，在短期内，光纤激光器将主要聚焦在高端用途上随光纤激光器的普及，成本的降低以及产能的提高，最终将可能会替代掉全球大部分高功率CO2激光器和绝大部分YAG激光器。

1.按照光纤材料的种类，光纤激光器可分为:

(1)晶体光纤激光器。工作物质是激光晶体光纤，主要有红宝石单晶光纤激光器和nd3+:YAG单晶光纤激光器等。

(2)非线性光学型光纤激光器。主要有受激喇曼散射光纤激光器和受激布里渊散射光纤激光器。

(3)稀土类掺杂光纤激光器。光纤的基质材料是玻璃，向光纤中掺杂稀土类元素离子使之激活，而制成光纤激光器。

(4)塑料光纤激光器。向塑料光纤芯部或包层内掺入激光染料而制成光纤激光器。

2.按增益介质分类为:

(1)晶体光纤激光器。工作物质是激光晶体光纤，主要有红宝石单晶光纤激光器和Nd3+:YAG单晶光纤激光器等。

(2)非线性光学型光纤激光器。主要有受激喇曼散射光纤激光器和受激布里渊散射光纤激光器。

(3)稀土类掺杂光纤激光器。向光纤中掺杂稀土类元素离子使之激活，(Nd3+、Er3+、Yb3+、Tm3+等，基质可以是石英玻璃、氟化锆玻璃、单晶)而制成光纤激光器。

(4)塑料光纤激光器。向塑料光纤芯部或包层内掺入激光染料而制成光纤激光器。

3.按谐振腔结构分类为F-P腔、环形腔、环路反射器光纤谐振腔以及"8"字形腔、DBR光纤激光器、DFB光纤激光器等。

4.按光纤结构分类为单包层光纤激光器、双包层光纤激光器、光子晶体光纤激光器、特种光纤激光器。

5.按输出激光特性分类为连续光纤激光器和脉冲光纤激光器，其中脉冲光纤激光器根据其脉冲形成原理又可分为调Q光纤激光器(脉冲宽度为ns量级)和锁模光纤激光器(脉冲宽度为ps或fs量级)。

5.根据激光输出波长数目可分为单波长光纤激光器和多波长光纤激光器。

7.根据激光输出波长的可调谐特性分为可调谐单波长激光器，可调谐多波长激光器。

8.按激光输出波长的波段分类为S-波段(1460~1530 nm)、C-波段(1530~1565 nm)、L-波段(1565~1610 nm)。

9.按照是否锁模，可以分为:连续光激光器和锁模激光器。通常的多波长激光器属于连续光激光器。

10.按照锁模器件而言，可以分为被动锁模激光器和主动锁模激光器。

其中被动锁模激光器又有:

等效/假饱和吸收体:非线性旋转锁模激光器(8字型，NOLM和NPR)

真饱和吸收体: SESAM或者纳米材料(碳纳米管，石墨烯，拓扑绝缘体等)。