光纤激光器的现况与新进展

光纤激光器近年来成为固体激光器发展的热点，大部分工作集中在提高激光器的输出功率上。在过去两三年中，连续输出的光纤激光器输出功率从百瓦级上升到千瓦级，脉冲工作的激光器其平均功率达到百瓦以上。本文第一部分重点介绍高功率光纤激光器的近况；第二部分介绍光纤激光器在其它几方面的发展，例如超短脉冲光纤激光器、拉曼光纤激光器、上转换光纤激光器以及短尺寸光纤激光器；最后，就光纤激光器的发展给出一些分析。

一、大模场双包层光纤激光器

2000年前，双包层光纤激光器输出在百瓦量级，为了保证单模输出，产生激光的光纤纤芯直径在10微米量级。一般而言，对于阶跃式折射率分布的光纤，获得单模输出的条件为：

这里数值孔径，而ncore和ncladding分别为纤芯和包层的折射指数，a为纤芯半径，λ为激光波长。一般而言，当λ≈1，NA=0.06时，α<6微米。

另一方面，作为光纤纤芯材料的石英，对激光有一个破坏阈值1~1.5W/μm2，当纤芯直径为12μm时，能承受的功率为113～170W。因此，对于单模纤芯的光纤输出功率限制在百瓦级，双包层光纤激光器的输出功率在2002年以后，单根光纤的输出功率急剧上升到千瓦级，它的成功取决于二个方面的发展：一是具有良好光束质量的二极管泵浦源日益成熟，二是采用了大模场双包层光纤。

大模场(Large Mode
Area-LMA)光纤是增大光纤纤芯的直径来提高单根光纤输出功率的水平。如果纤芯半径从6微米增大到15微米，光纤截面积可增加6.25倍，可承受的功率即可达到千瓦级，这一估计很快得到了实验证实(见图1)。限制单根光纤输出功率的因素除了材料破坏以外，非线性效应也是一个重要因素。受激拉曼散射(SRS)作为一种非线性效应会将激光波长转换成波长较长的斯托克斯光和波长较短的反斯托克斯光，从而限制激光功率的提高。

众所周知，非线性效应有一个阈值，对于光纤激光的基模，它的阈值功率可表达为：

式中，gR为光纤材料中的拉曼增益系数，Amode为激光在光纤中传播的模面积，Leff
是激光在光纤中传播的有效信号传播长度。当光纤作为放大介质处理时，Leff 与光纤实际长度L是有差别的：
式中g为放大增益常数(假设增益均匀分布)

这里G为总增益，L为实际光纤长度。例如：当纤芯直径为30μm，L为30m，G=30dB，实验观察到模场直径为24μm,Amode=452μm2，Pth=314KW。当采用直径为12μm纤芯的光纤时，模场直径为6.2μm，Amode=32μm2，对应的Pth=21KW。因此采用大模场光纤，使受激拉曼阈值提高了一个数量级以上。

大模场光纤可以提高单根光纤的输出功率，但也带来多模场振荡的问题。双包层光纤具有N个有限的传输模式：

给出随V增加模式出现的次序和总传导模数N的变化。当V<2.4048时，总的传导模数N为2，只有基模可传播（二重简并）。随着V值增大，总的传导模数N亦迅速增大。例如当α=15μm时，V=5.625，N=20。

总传播模数N与V的关系

V值范围 总传导模数N 模式出现次序
0～2.4048 2 HE11
2.4048～3.8317 6 TE01,TM01,HE21
3.8317~5.1356 12 HE12, EH11,HE31
5.1356~5.5201 16 EH21, HE41
5.5201~6.3802 20 TE02,TM02, HE22
6.3802~7.0156 24 EH31, HE51
7.0156~7.5883 30 HE13,EH12,HE32
7.5883~8.4172 34 EH41,HE51

大模场光纤的多模输出是不希望出现的，为了克服这一问题，为此人们在光纤结构设计及光纤排布上进行了深入的研究，目的是改变不同的模式的传输特性。使基模传输损耗尽量小而其它高阶模的损耗增大。一种比较简单的方式是将光纤绕成"线圈"状，计算表明，当"线圈"直径为30cm时，各种低阶传导模的损耗均小于0.1dB/m，当"线圈"直径为15cm时，只有少数几个传导模具有较小的损耗，只有基模具有低损耗的条件要求"线圈"直径小于10cm。要满足这一条件，在实验上会有一定困难，因为大模场光纤弯曲特性比细纤芯光纤差，如处理不当，很容易发生断裂现象。尽管如此，大模场光纤基模输出数百瓦已有实验报导。

二、特种光纤激光器

1. 脉冲光纤激光器

对于连续工作的光纤激光器，光纤本身就是工作物质，一般采用结构简单的F-P腔结构，这样无需在腔内放置其它光学元件就可以获得高功率的激光输出。但如果从应用目标出发时，连续工作的光纤激光能提供的靶面功率密度较低，脉冲工作的光纤激光或许更为有用。

脉冲双包层光纤激光器是一种新型激光器，和普通的固体激光器相比，双包层光纤激光器具有很高的"表面积/体积"比，散热效果好，具有很高的转换效率和很低的阈值。双包层结构使泵浦光有较大的可入射面积，当光沿纤芯传播时，泵浦掺杂纤芯将产生亮度很高，而且光束质量接近衍射极限的激光输出。双包层光纤激光器在产生高平均功率脉冲激光方面具有相当大的潜力，它们可以成为替代某些调Q或锁模激光器的另一种高效多用途激光器。

在所有的掺杂光纤中，掺Yb光纤的优点最为突出，掺Yb石英材料具有优良的储能性能(32J/cm2的饱和能量，870us上能级寿命)，很宽的增益谱(975nm~1200nm)，在LD的泵浦下，掺Yb光纤可以产生激光，还可以用来放大激光脉冲以提供高功率脉冲。脉冲双包层光纤激光器在通讯、医学、工业加工、生物学等领域有很大的应用价值。

脉冲双包层光纤激光器有调Q双包层光纤激光器、锁模双包层光纤激光器和种子源主振荡放大光纤激光器三种，其中调Q双包层光纤激光器主要采用在连续双包层光纤激光器内加声光或电光调Q晶体实现，与常规调Q光纤激光器相比，可将峰值功率提高一个数量级，不过脉冲能量和平均功率普遍较小，而且，脉冲能量受光纤端面阈值的限制，锁模光纤激光器主要是采用光栅和偏振控制器实现被动锁模，应用于通讯领域，而且脉宽相对稳定，平均功率较低。种子源振荡放大光纤激光器主要是把种子光源耦合进入双包层光纤的纤芯，在光纤同端或异端以大功率LD泵浦，就能得到的单脉冲能量较高，平均输出功率较大，脉宽调谐范围广，光束质量好的激光光束。随着研制方案的进一步优化，有可能实现更大单脉冲能量和更高光束质量的脉冲输出，是一种比较理想的脉冲输出激光器，能广泛应用在激光精密打孔、打标、金属切割和深度焊接及国防军事领域。

近几年来，脉冲双包层光纤激光器成为国际上研究的热点，在此方面的研究上比较著名的主要有英国的Southampton大学光电研究中心、德国Jena研究所、法国的以A.Hideur为首的研究组和美国的IPG公司等。在2000年，英国Southampton光电研究中心的J.A.Alvarez-Chavez采用在包层泵浦双包层光纤激光器中加入声光调制器来获得5W平均功率的调Q脉冲输出。2001年，德国Jena的S.Hofer以单频环形盘片激光器作为种子光源，通过掺Yb双包层光纤进行放大，得到20W平均功率输出，光束质量接近衍射极限。随后，J.Limpert同样采用种子光振荡放大，用两个LD在掺Yb大芯径双包层光纤双端泵浦，种子光源为皮秒Nd:YVO激光器，得到51.2W的放大输出，重复频率为80MHz。2002年，J.Limpert采用纳秒调Q
Nd:YAG种子源，25m长的大模面积光纤，种子光和泵浦光分别在光纤两端进入，放大光用双色片分出，得到100W平均功率(重复频率为50KHz)的衍射极限光束质量的放大输出。2003年9月，A.Liem采用单频1064nm微片激光器作为种子源，得到108W单频放大输出，光束质量M2为1.1。

在国内，脉冲双包层光纤激光器的研究刚刚起步，南开大学主要进行调Q和锁模激光器的研究，但平均功率都比较小，上海光究所在中科院知识创新工程、国家自然科学院基金和上海市光科技项目的资助下，已开展了脉冲双包层光纤激光器的研究，采用种子光源主振荡放大方案来获得高功率脉冲激光输出，目的是开拓脉冲双包层光纤激光器在激光打标、激光加工和军事上的应用。该项目组采用纳秒级高重复频率(20KHz~1000KHz可调)激光器作为种子源，在光纤另一端采用975nm高功率LD泵浦，在2003年10月获得6W1064nm放大激光输出，在2004年10月获得20W放大激光输出。和武汉烽火通讯科技公司合作拉制掺Yb大芯径高掺杂浓度双包层光纤，实现了双包层光纤的国产化。采用4m国产化双包层光纤作为放大器，解决了种子光注入和泵浦光耦合等问题，通过上海计量测试研究院袁海林高工主持的现场测试，实现了133.8W平均功率的脉冲激光输出。经中科院上海科技查询咨询中心水平检索，达到世界领先水平。

2.飞秒光纤激光器

光纤的色散特性可以用于啁啾脉冲放大，光脉冲经过色散放大随后进行脉冲压缩产生十分高的峰值功率。光纤振荡器可以研制成十分紧凑的结构，掺Yb光纤具有很宽的增益带宽从而产生锁模脉冲，振荡器产生的短脉冲光束可以经过光纤放大提高输出功率。

具有高重复率的飞秒脉冲的重要应用包括生物成像、微细加工和光通讯。在自锁模情况下，由于重复率反比于腔长，对于较长的光纤长度这种方法并不理想。主动锁模产生的脉冲宽度一般在皮秒量级，为了产生飞秒脉冲大部分研究工作集中在被动锁模技术上，采用半导体饱和吸收体可以获得重复率为605MHz，脉冲宽度为380fs的脉冲输出。

3.拉曼光纤激光器

受激拉曼散射可以改变激光的波长，掺Yb双包层光纤激光器（波长为1100nm）耦合到单模光纤中，如果光纤两端安装有对应于拉曼频移后的波长的布拉格光纤光栅，就可以获得不同斯托克斯或反斯托克斯的拉曼光纤激光输出。

另一种方法是将单模光纤用作拉曼光纤放大器，它可以实现1.2μm~1.6μm波段的宽带放大。对于密集波分复用(DWDM)超长距离光传输的应用具有重要的意义。随着信息产业的发展，为了满足超高速、超大容量的通信要求，实现1.2μm~1.6μm波段超带宽通信需要使用光纤拉曼放大器。

对于二氧化硅(石英)光纤，斯托克斯拉曼位移量为4.4×103m-1，在波长1μm处激光拉曼增益系数为1×10-9m-1W-1。使用长度为1Km的光纤，当泵浦功率大于1瓦，拉曼激光增益可达到20dB以上。

在光通信中，掺铒光纤放大器（EDFA）已经获得应用，但存在能量转换效率低，输出信号功率不高等缺陷。光纤拉曼放大器有三个突出的特点。一是增益波长由泵浦光波长决定，只要泵浦源的波长适当，理论上可以获得任意波长的信号放大；二是增益介质为传输光纤本身，无需另外加入掺杂的光纤；三是噪声低。它可以使光信号进行在线放大，光纤中各处的信号光功率都比较小，降低了非线性效应，例如四波混频效应的干扰。在实际使用中，把拉曼光纤放大器与掺铒光纤放大器混和使用可大大降低系统的噪声指数，增加传输跨距。

4.上转换光纤激光器

利用波长较长的激光泵浦，实现波长较短的激光输出称为上转换激光器。当光纤中一般掺杂两种离子，一种为激光离子，另一种起敏化作用，它可以获得紫外至近红外波段激光。例如用852nm半导体激光泵浦Er/Yb共掺光纤可获得波长为635nm的红光。当泵浦光为红光时，可获得492nm蓝光输出。
当光纤中仅掺杂一种离子时，通过多光子吸收可实现上转换，例如，用971nm光泵浦掺铒光纤，可获得544nm激光输出，用1.06μm激光泵浦掺铒光纤，可获得480nm蓝光输出。由于整个过程依赖于多光子过程，转换效率一般不太高。

5.短尺寸光纤激光器

相对于大部分长度以米计的光纤激光器，长度为厘米量级的光纤激光器也有它的特殊应用，例如它可以当需要单频输出或者列阵组合的应用。

短尺寸光纤激光器腔长只有几厘米，很容易获得单模、单频输出。要将光纤长度缩短，主要要提高掺杂浓度，使泵浦光在很短的距离内能充分吸收且获得足够的增益。由于此时激活介质的直径很小，因此激活体积十分小，对于10厘米光纤，通常只有0.01mm3。相对于石英而言，玻璃可以掺杂更高的浓度，利用一根7厘米的玻璃光纤，纤芯用Er/Yb共掺，当泵浦功率为30W时，最高可获得近10瓦连续输出，每厘米长度可产生1.3W功率，但此时又遇到了冷却问题。如果不处理好冷却问题，很难在实际中获得应用。