光纤激光器综述

摘要：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、激光测距、激光雷达、激光艺术成像、激光防伪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原理、特点、应用及其发展前景。 http://www.bjlaser.com/

　　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。
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。
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。
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，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，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。

2 光纤激光器特点及应用

2.1 特点

　　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。并且，光纤激光器的谐振腔内无光学镜片，具有免调节、免维护、高稳定性的优点；超长的工作寿命和免维护时间，平均免维护时间在10万小时以上。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。

　　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各种激光器的性能对比：

　　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。

2.2 应用

2.2.1标刻应用

　　脉冲光纤激光器以其优良的光束质量，可靠性，最长的免维护时间，最高的整体电光转换效率，脉冲重复频率，最小的体积，无须水冷的最简单、最灵活的使用方式，最低的运行费用使其成为在高速、高精度激光标刻方面的唯一选择。

　　如下图：一套光纤激光打标系统可以由一个或两个功率为25W的光纤激光器，一个或两个用来导光到工件上的扫描头以及一台控制扫描头的工业电脑组成。这种设计比用一个50W激光器分束到两个扫描头上的方式高出达4倍以上的效率。该系统最大打标范围是175mm*295mm，光斑大小是35um，在全标刻范围内绝对定位精度是+/-100um。100um工作距离时的聚焦光斑可小到15um。

图1 光纤激光打标系统

2.2.2材料处理的应用

　　光纤激光器的材料处理是基于材料吸收激光能量的部位被加热的热处理过程。1um左右波长的激光光能很容易被金属、塑料及陶瓷材料吸收。

2.2.3 材料弯曲的应用

　　光纤激光成型或折曲是一种用于改变金属板或硬陶瓷曲率的技术。集中加热和快速自冷切导致在激光加热区域的可塑性变形，永久性改变目标工件的曲率。研究发现用激光处理的微弯曲远比其他方式具有更高的精密度，同时，这在微电子制造是一个很理想的方法。

图2 光纤激光成型或折曲示意图

2.2.4激光切割的应用

　　随着光纤激光器的功率不断攀升，光纤激光器在工业切割方面得以被规模化应用。比如：用快速斩波的连续光纤激光器微切割不锈钢动脉管。由于它的高光束质量，光纤激光器可以获得非常小的聚焦直径和由此带来的小切缝宽度正在刷新医疗器件工业的标准。
　　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。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。

3 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。