光纤激光器综述

摘要：光纤激光器技术是光学领域最为重要的技术之一，作为第三代激光技术的代表，其稳定性好、效率高、阈值低、线宽窄、可调谐、紧凑小巧和性价比高等优点，使得它在光纤传感、光纤通信、工业加工等领域都有着重要的应用。而掺镱双包层光纤激光器是国际上近年来发展的一种新型固体激光器。本文就介绍了这种高功率掺镱双包层光纤激光器，主要介绍了高功率掺镱双包层光纤激光器的概念、发展历史及发展现状、基本原理、优点、实现的关键技术、应用及其广阔的前景。同时总结出了未来光纤激光器的发展方向，并且可以预计光纤激光器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。 关键词：光纤激光器；掺镱双包层光纤激光器；光纤融合技术；激光加工。 引言

光纤激光器是指用掺稀土元素玻璃光纤作为增益介质的激光器，虽然光纤激光器得到了社会各方面的广泛重视，但是光纤激光器并不是新型光器件。1961年，美国光学公司的Snitzer和Koester等在一根芯径300um的掺Nd3+玻璃波导中进行试验观察到了激光现象，并与1963年和1964年发表了多组分玻璃光纤中的光放大结果，提出了光纤激光器和光纤放大器的思想。1975～1985年中有关这个领域的文章较少，不过在这期间许多发展光纤激光器的必须工艺技术已趋于成熟[1]。上个世纪80年代后期，美国Polaroid公司提出了包层抽运技术，之后双包层光纤激光器，特别是掺镱双包层光纤激光器发展非常迅速。1994年，PASK等首先在掺Yb3+石英光纤中实现了包层抽运，得到了0.5W的最大激光输出。1998年，Lucent技术公司的KOSINKI和INNISS报道了一种内包层截面形状为星形的掺Yb3+双包层光纤激光器，得到了20W的激光输出。1999年，DOMINIC等用4个45W的半导体激光二极管阵列组成总功率为180W的抽运源，在1120nm得到110W的激光输出。2002年，IPG公司公布了2000W的掺Yb3+双包层光纤激光器。目前，该公司已经推出了输出功率为17kW的掺Yb3+双包层光纤激光器，虽然因为采用的是多组激光合束的方式，致使激光器的光束质量下降很大，但仍然在对功率要求高、光束质量要求不是很高的场合有非常好的应用前景。但如何提高功率，同时又保证光束质量，是当前研究要解决的难题之一。

在国内，关于掺Yb3+双包层光纤激光器的研究起步较晚。从上个世纪年80

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代末，相继有一些科研单位进入光纤激光器研究领域并获得了一定的进展。2005年，烽火通信科技股份有限公司与上海光机所合作，成功研制出输出功率高达440W的掺镜双包层光纤激光器[2]，其功率而后被进一步提到714W。长春光机所也开展了高功率双包层光纤激光器的研究工作，全光纤结构实现10.8w1070nm 激光输出。总体而言，由于受基础条件方面的制约，国内光纤激光器研究同国际水平还有相当大的差距。

1. 掺镱双包层光纤激光器原理

双包层光纤的结构如图1所示，由里到外分别为纤芯、内包层、外包层和保护层。它比普通单模光纤增加了一个内包层，其横截面尺寸和数值孔径都远大于纤芯。内包层与掺稀土离子纤芯之间构成单模光波导，将激光限制在纤芯当中；同时它又与外包层构成了传输抽运光的多模光波导，使得抽运光在内包层中反射并多次穿越纤芯被掺杂离子所吸收，从而将抽运光高效地转换为单模激光，极大提高了光-光转换效率。

最初研制出的是圆形内包层双包层光纤，如图2a所示，它的优点是制造工 艺简单。但是也有严重的缺陷：圆形对称使内包层中有大量抽运光以螺旋光的形式存在，这部分光在传输过程中不经过纤芯, 因此不能被Yb3+离子吸收降低了抽运光的利用效率。为了克服这个缺陷，国内外研究者相继提出了多种新型内包层形状的双包层光纤，譬如偏芯型、方形、矩形、六边形、梅花形、D形等，如图2所示。不同内包层形状的光纤具有不同的抽运激光转换效率，此外，内包层的横截面积和数值孔径也会影响抽运激光耦合效率[3]。

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掺镱光纤激光器的基本结构如图3所示, 包括抽运源、耦合系统、增益介质、谐振腔和准直系统5个部分。掺各种稀土元素的双包层光纤都可构成双包层光纤激光器，由于掺镱的光纤激光器具有量子效率高、增益带宽大、无激发态吸收、吸收带宽以及可以采用波长在915nm或980nm附近的多模大功率半导体激光器泵浦的特点，尤其适合于高功率器件，因此在双包层光纤激光器家族中尤显重要，其单台输出功率已达300W，多台组合后的输出功率可达千瓦。

掺杂在硅基玻璃光纤镱Yb3+离子的能级及Spark分裂能级，与其他稀土离子相比，Yb3+能级结构十分简单，如图4a所示，与激光跃迁相关的能级只有两个多重态能级2F5/2和2F7/2，当Yb3+掺入石英光纤之后，这两个能级将引起的斯塔

2克效应而分裂。在室温下2F5/2分裂成两个可分辨的能级，F7/2分裂成三个可分辨

的能级[4]，如图所示，因此镱离子掺杂的光纤具有宽的吸收带宽和发射带宽，从 970 到 1064nm 是吸收和发射谱重叠部分，镱离子如此宽的吸收带可以选择许多激光器作为泵浦源，具有较高的吸收和转换效率。镱离子的其它能级都在紫外区，由于没有高能级的存在，因此以镱Yb离子掺杂光纤可以消除多光子弛豫及激发态吸收的影响，适合于发展高功率激光器件。对镱离子次能级分析认为，镱

2掺杂光纤激光器一般被泵浦到其亚稳态2F5/2多重态较高的次能级上，F5/2能级寿

命在760um。当发射波长小于990nm时，其行为是一种真实的三能级跃迁系统（跃迁 A），而在较长的波长，从1000nm 到1200nm 时(跃迁B)，其行为更象是一种准四能级系统。镱Yb3+

离子掺杂光纤也具有相当高的吸收和发射横截面

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积，如图4b所示为典型镱离子吸收和发射截面。掺Yb3+光纤激光器是1.0-1.2um的通用光源，Yb3+具有相当宽的吸收带（800-1000nm）以及相当宽的激发带（970-1200nm），最佳吸收位于915nm和975nm的半导体激光器输出波长，而且没有受激态吸收。

2. 掺镱双包层光纤激光器的优点

光纤激光器是一种高效的波长转换器，由泵浦光波长转换为所掺稀土离子的激射波长。因此利用与稀土离子吸收光谱相对应的不同波长、高功率且廉价的半导体激光器作为泵浦源，以获得不同波长的输出激光[5]。从其原理可知，它与其它传统激光器相比，在效率、体积、冷却和光束质量等方面，均占有明显的优势，其主要特点如下：(1)效率高，容易实现高功率输出。掺镱双包层光纤在915nm、940nm特别是975nm带具有非常高的吸收，而这3个波段的半导体激光器工艺成熟，因此非常容易选择到合适的抽运源；由于内包层的横截面尺寸和数值孔径都较大，可易实现高耦合效率，从而实现高功率激光输出，斜率效率一般在60%以上，电光转换效率大于20%；(2)输出激光光束质量好。因输出激光光束由光纤纤芯的波导结构决定，不因受热变形而变化，故其输出光束质量易达到单横模激光输出；(3)散热特性非常好。双包层光纤激光系统是采用细长的掺杂光纤本身作为增益介质，表面积与体积之比很大，散热性能非常好。对于连续输出110W的光纤激光器，若将光纤盘绕成环状，只需简单风冷即可；(4)结构简单，体积小，使用方便。双包层光纤激光器以光纤本身作为增益介质，谐振腔是由增益光纤的2个端面粘贴双色镜或增益光纤两端刻写的光纤布喇格光栅构成，腔体结构简单，并且光纤柔软几乎可弯曲盘绕成任意形状。抽运源采用的是光纤输出、体积小、模块化的高功率半导体激光器。因此双包层光纤激光器具有使用灵活方便

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的特点。下表是各种激光器的性能对比[6]，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。

3. 掺镱双包层光纤激光器的关键技术

高功率光纤激光器的发展越来越成熟，实现高功率光纤激光器的关键技术主要有以下几点:

(1)包层泵浦技术：常规的光纤激光器采用普通的单模光纤做增益介质，耦合效率极低，很难得到高功率的光纤激光。包层泵浦技术的出现，极大提高了泵浦光的耦合效率，包层泵浦技术是通过双包层光纤来实现的。计算结果表明，同心圆形结构的吸收效率最低，而非圆形的内包层结构对泵浦光的吸收效率很高，理想情况可达到100%。

(2)光纤融合技术：高功率光纤激光器的另一项关键技术就是将泵浦源输出的光功率有效地耦合到增益光纤中去。要获得高功率的光纤激光，就需要高输出功率的泵浦源（一般为半导体激光器列阵），将半导体激光器列阵输出的几千瓦的激光耦合进入一根双包层增益光纤是一件很困难的事情，耦合效率将很低。因此采用树杈形光纤，将多个激光二极管输出的光同时耦合进增益光纤是最好的解决方案，即每个激光二极管输出的光由多模光纤导出，采用光纤集合熔接技术，将多根多模光纤融合成一根光纤，制成光纤模块。这样可使单根光纤的输出能量

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在百瓦级，同时解决了半导体激光列阵集成模块的散热问题。这样可以将多个激光二极管输出的光几乎无损地耦合进增益光纤的内包层，有效提高泵浦效率。

(3)谐振腔的制备技术：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，但这种方法给泵浦光的耦合以及光纤激光器的封装都带来很大困难，不利于光纤激光器的实用化和商品化。另一种是采用光纤光栅做谐振腔。而且光纤光栅是一种低损耗器件，具有非常好的波长选择特性，它的采用简化了激光器的结构，同时提高了激光器的信噪比和可靠性、窄化了线宽、提高了光束质量，而且，通过应力调节可以进行波长调谐。此外，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，避免用二色镜和透镜组提供激光反馈带来的损耗，从而降低光纤激光器的阈值，提高输出激光的斜率效率[7]。

4. 掺镱双包层光纤激光器的应用

掺镱光纤激光器以绝对的优势使它在通信行业、工业加工、印刷、军事和医疗等领域有着广泛的应用。主要有以下方面：

(1) 掺镱双包层光纤激光器在光纤通信中的应用：由于掺铒光纤放大器依赖于单模激光二极管的抽运，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。双包层掺镱光纤激光器的出现解决这些问题，使光纤放大器可以工作在光通信窗口的任意波长处，并对光信号进行在线放大，是长（超长）距离通信实现信号放大的理想选择。

(2) 掺镱双包层光纤激光器在激光加工中的应用：与传统高功率激光器相比，掺镱双包层光纤激光器的高转换效率、光束参数好、维护周期长、运行费用低等优点在工业加工中非常有优势。掺镱双包层光纤激光器非常适合作为激光加工设备的激光光源，目前主要应用于激光打标、激光微加工（毫米量级、数十微米量级的精度切割、打孔和焊接）、大功率工业加工（切割、焊接、打孔等）等。 结论

掺镱双包层光纤激光器在光通信、工业加工、医疗等行业的应用才刚刚起步，随着时间的推移，它无与伦比的优良性能将越来越得到认可。它的广泛应用对提升我国工业加工水平具有重要的意义。可以预见，随着新型器件的产生和谐振腔结构的改进，光纤激光器将成为半导体激光器强有力的竞争对手，成为未来全光

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网的主要光源[8]。从长远来看，这种新型的高效率、长寿命、小体积、大功率光纤激光器必将得到更广泛的应用，具有非常广阔的潜在市场，将逐步取代传统激光器。值得一提的是，关于双包层光纤激光器的研究在我国起步较晚，目前还没有成熟产品，跟国外的差距较大。有许多技术难点需要激光技术、光电技术和光通信等领域的同行们共同携手克服，努力缩小与国外在双包层光纤激光器研究方面的差距。

参考文献

[1] 郭玉彬,霍佳雨.光纤激光器及应用.北京:科学出版社,2008.

[2] 楼棋洪,国产双包层掺镜光纤实现440W的连续高功率激光输出.中国激

光,2000,7(11):987-991.

[3] 曾惠芳,肖芳惠.高功率光纤激光器及其应用.激光技术.第30卷,第4期.

2006,8.

[4] 周炳琨,高以智等.激光原理.北京:国防工业出版社,2009.

[5] 陈家璧,彭润玲.激光原理及应用.北京:电子工业出版社，2011.

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[6] 王志华. 光纤激光器应用综述. 科艺仪器有限公司.

[7] 张军. 高功率光纤激光器实验研究.吉林大学硕士学位论文,2004.

[8] 王彦,崔一平.光纤激光器技术.电子器件.第27卷,第2期.2004,6.

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