高功率光纤激光器研究进展

收稿日期：２００５－０８－３０；修订日期：２００５－１１－２５作者简介：楼祺洪（１９４２－），男，浙江慈溪人，研究员，学士，主要从事光学、激光技术及其应用研究。

第３５卷第２期红外与激光工程２００６年４月Ｖｏｌ．３５Ｎｏ．２ＩｎｆｒａｒｅｄａｎｄＬａｓｅｒＥｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇＡｐｒ．２００６０引言自１９８８年Ｓｎｉｔｚｅｒ等人提出双包层光纤以来，基于这种包层泵浦技术的光纤激光器和放大器获得了快速发展。

特别是近年来，随着高功率半导体激光器泵浦技术和双包层光纤制作工艺的发展，光纤激光器的输出功率水平快速提升，单根光纤的输出已经从最初的几百毫瓦上升到了千瓦级水平［１］，并在高精度激光加工、激光医疗、光通信及国防等领域获得了广泛应用。

双包层光纤是由掺杂纤芯、内包层、外包层、保护层４部分组成，和常规光纤相比，多了一个可以传输泵浦光的内包层。

纤芯由掺稀土元素的ＳｉＯ２构成，它作为产生激光的波导，一般情况下是单模的；内包层高功率光纤激光器研究进展楼祺洪，周军，朱健强，王之江（中国科学院上海光学精密机械研究所，上海２０１８００）摘要：高功率掺镱双包层光纤激光器由于在效率、散热和光束质量方面的优势，在工业加工、医疗和国防等领域具有广泛的应用前景，是目前国际上激光技术研究的热点之一。

首先综述了国际上高功率光纤激光器的研究进展情况，然后重点介绍了中国科学院上海光学精密机械研究所在连续光纤激光和脉冲光纤激光方面所取得的进展，采用双端泵浦技术，在１５ｍ的国产双包层光纤中获得４４０Ｗ的连续输出，采用ＭＯＰＡ方式，以４ｍ长的国产光纤作为放大介质，在１００ｋＨｚ时，获得了１３３Ｗ的平均功率输出。

关键词：激光技术；光纤激光器；双包层掺镱光纤中图分类号：ＴＮ２４８文献标识码：Ａ文章编号：１００７－２２７６（２００６）０２－０１３５－０４Ｒｅｃｅｎｔｐｒｏｇｒｅｓｓｏｆｈｉｇｈ!ｐｏｗｅｒｆｉｂｅｒｌａｓｅｒｓＬＯＵＱｉ!ｈｏｎｇ，ＺＨＯＵＪｕｎ，ＺＨＵＪｉａｎ!ｑｉａｎｇ，ＷＡＮＧＺｈｉ!ｊｉａｎｇ（ＳｈａｎｇｈａｉＩｎｓｉｔｉｔｕｔｅｏｆＯｐｔｉｃｓａｎｄＦｉｎｅＭｅｃｈａｎｉｃｓ，ＣｈｉｎｅｓｅＡｃａｄｅｍｙｏｆＳｃｉｅｎｃｅｓ，Ｓｈａｎｇｈａｉ２０１８００，Ｃｈｉｎａ）Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｈｉｇｈ!ｐｏｗｅｒＹｂ!ｄｏｐｅｄｄｏｕｂｌｅ!ｃｌａｄｆｉｂｅｒｌａｓｅｒｓｈａｖｅｉｎｃｉｔｅｄｐａｒｔｉｃｕｌａｒｉｎｔｅｒｅｓｔａｓｅｆｆｉｃｉｅｎｔ，ｃｏｍｐａｃｔｌａｓｅｒｓｗｉｔｈｇｏｏｄｂｅａｍｑｕａｌｉｔｙｆｏｒａｖａｒｉｅｔｙｏｆａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎｓｉｎｉｎｄｕｓｔｒｙｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇ，ｍｅｄｉｃａｌｉｎｓｔｒｕｍｅｎｔｓａｎｄｎａｔｉｏｎａｌｄｅｆｅｎｓｅ．Ｉｎｔｈｉｓｐａｐｅｒ，ｔｈｅｒｅｃｅｎｔｐｒｏｇｒｅｓｓｏｆＣＷａｎｄｐｕｌｓｅｄｄｏｕｂｌｅ!ｃｌａｄｆｉｂｅｒｌａｓｅｒｓａｔＳＩＯＭａｒｅｒｅｐｏｒｔｅｄｕｐｏｎ．ＡＣＷ４４０Ｗｆｉｂｅｒｌａｓｅｒｉｓｄｅｍｏｎｓｔｒａｔｅｄｗｉｔｈｔｗｏｅｎｄｓｐｕｍｐｉｎｇｃｏｎｆｉｇｕｒａｔｉｏｎｂｙｕｓｉｎｇａ１５ｍｈｏｍｅ!ｍａｄｅｄｏｕｂｌｅ!ｃｌａｄＹｂ!ｄｏｐｅｄｆｉｂｅｒ．Ｆｏｒｐｕｌｓｅｄｏｐｅｒａｔｉｏｎ，ａ１３３Ｗａｖｅｒａｇｅ!ｐｏｗｅｒｏｕｔｐｕｔａｔ１００ｋＨｚｒｅｐｅｔｉｔｉｏｎｒａｔｅｉｓｏｂｔａｉｎｅｄｗｉｔｈ４ｍｄｏｕｂｌｅ!ｃｌａｄｆｉｂｅｒｂｙｕｓｉｎｇＭＯＰＡｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ．Ｋｅｙｗｏｒｄｓ：Ｌａｓｅｒｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ；Ｆｉｂｅｒｌａｓｅｒ；Ｙｂ!ｄｏｐｅｄｄｏｕｂｌｅ!ｃｌａｄｆｉｂｅｒ红外与激光工程第３５卷由横向尺寸和数值孔径都比纤芯大的多、折射率比纤芯小的ＳｉＯ２构成，是泵浦光通道，对应泵浦光波长是多模，用以传输高功率的泵浦光。

泵浦光进入尺寸较大的内包层，在内包层中内反射并多次穿越纤芯被掺杂离子吸收，实现激光输出或放大，获得高光束质量、高功率的激光输出。

与同等功率水平的其他激光系统相比，双包层光纤激光器无论在效率、体积、冷却和光束质量等方面，均占有明显的优势［２］。

主要特点为：（１）输出激光光束质量好。

在光束质量方面，双包层光纤激光器的输出光束质量由光纤纤芯的波导结构（纤芯直径ｄ和数值孔径ＮＡ）决定，不会因热变形而变化，因此易于实现高光束质量的激光输出。

（２）散热特性非常好。

固体激光器实现高功率激光输出的主要困难在于激光介质的热效应引起光束质量及效率下降，为了有效散热需要专门的技术和系统对固体激光介质进行冷却。

而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／体积比很大（至少是固体激光介质的１０００倍以上），因此散热性能非常好。

（３）易于实现高效率和高功率，对于掺镱双包层光纤激光来说，泵浦波长９７５ｎｍ和激光波长１．１μｍ非常接近，量子亏损小（～９０％）导致高效率，双包层结构则使得多模高功率泵浦光可以高效耦合入内包层；目前掺镱光纤激光的效率可达７０％以上，总体电光效率超过２０％。

（４）器件结构简单，体积小巧，使用灵活方便。

双包层光纤激光器由于采用柔软的掺杂光纤本身作为激光介质，泵浦源也是采用体积小巧易于模块化的高功率半导体激光器，因此稳定性好，使用灵活方便。

正是由于掺镱双包层光纤激光在效率、散热、光束质量等方面的明显优势，业已引起人们的广泛关注，是目前国际上激光技术领域研究的热点之一。

特别是近两年来，单根光纤激光器的输出功率快速提升，同时，在应用方面，根据ＬａｓｅｒＦｏｃｕｓＷｏｒｌｄ的市场分析，国际上光纤激光占整个激光市场的份额也以很快的速度发展，预计２００７年将达到２０％，其中在激光材料处理的应用中将达到２４％，在激光的空间和军事应用中将会达到５９％。

１研究进展和发展趋势高功率双包层光纤激光的发展呈现出以下４个发展趋势：（１）单根光纤激光的连续波输出功率从百瓦量级向千瓦量级发展，进一步提升单根光纤激光的输出功率，是高功率光纤激光发展的主要研究内容。

１９９９年美国的Ｖ．Ｄｏｍｉｎｉｃ等用４个４５Ｗ的半导体激光器从两端泵浦，获得了１１０Ｗ的单模连续激光输出［３］，这个结果引起了人们的广泛关注。

但由于光纤和泵浦源技术的限制，在此后的近３年中，单光纤激光输出功率没有获得突破进展。

到２００３年，随着大模场光纤技术和高功率泵浦源技术的发展，光纤激光器的输出功率水平快速提高，记录一次次被刷新。

德国的ＩＰＨＴ、英国的ＳＰＩ和著名的ＩＰＧ公司分别报道了２００、２７０和３００Ｗ的光纤激光器。

在２００４年初的ＰｈｏｔｏｎｉｃｓＷｅｓｔ会议上，英国的ＳＰＩ报告了１ｋＷ的光纤激光器，引起了轰动。

最近南安普顿大学报道了１．３６ｋＷ连续波光纤激光器，斜率效率为８３％，光束质量因子Ｍ２为１．４［４］。

并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有可能提高到近万瓦。

（２）从高功率连续光纤激光向高平均功率、高峰值功率的脉冲光纤激光器发展。

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的应用将更广泛。

双包层光纤激光器实现脉冲激光输出，大体上有三种方式：（１）调Ｑ光纤激光器，一般是通过在腔内放置声光调Ｑ元件或熔结一段常规光纤，借助于普通光纤中的受激布里渊散射（ＳＢＳ）来实现脉冲激光输出；（２）借助于光纤中非线性偏振旋转采用环形腔结构实现脉冲锁模的光纤激光输出；（３）基于种子光振荡放大（ＭＯＰＡ）的脉冲光纤激光器，用这种方式的双包层光纤作为放大器，实现对脉冲种子光的高功率放大［５］。

在ＭＯＰＡ方式中，采用高光束质量、小功率的激光器作为种子光源，双包层光纤作为放大器，易于获得高平均功率、高脉冲能量的脉冲激光输出，是目前研究的热点。

根据所用种子光源的不同，可实现窄线宽、皮秒和飞秒的脉冲激光的高功率放大系统，应用于各种不同的场合。

除了１μｍ波段的掺镱脉冲光纤激光外，工作在１．５μｍ人眼安全波段的高平均功率、高峰值功率的掺铒（铒镱共掺）脉冲光纤激光器更是１３６第２期有着非常重要的应用价值。

（３）从常规的光纤激光组束技术向相干组束技术发展。

将多个高功率光纤激光器的输出按常规方式组束，虽然可以提升总的输出功率，但光束质量变差，亮度提高有限。

相干组束技术则可以在提升总功率的同时，保持光纤激光器良好的光束质量，这将是高功率光纤激光器发展的很有前途的方向。

（４）光纤激光的工业应用从低功率的打标、雕刻（百瓦级）向更高功率的金属和陶瓷的切割、焊接等方面发展（千瓦到万瓦级），在汽车和造船等行业中，结构紧凑、使用方便的高功率光纤激光器具有巨大的市场潜力，但要成功取代常规工业激光器则依赖于它能获得优良的光束质量。

２双端泵浦的高功率光纤激光器高性能的双包层光纤和高功率泵浦源及耦合技术是限制光纤激光器功率提升的主要原因。

在双包层光纤方面，高性能掺镱双包层光纤一直是制约我国高功率光纤激光研究和推广应用的瓶颈。

最近，和烽火通信科技股份有限公司合作，结合上海光机所在光纤激光技术方面的优势和烽火通信科技股份有限公司在特种掺杂光纤制作设备与技术上的优势，实现了高性能掺杂光纤的国产化。

在泵浦源方面，采用独特的半导体激光光束整形技术，并对整形后的ＬＤＡ进行空间拼合，获得了准直输出的高功率泵浦光束。

在端面泵浦技术中，为了实现泵浦光到光纤内包层的高效、安全耦合，采用了空间滤波和非球面透镜耦合技术［６］，得到和光纤内包层参数相匹配的聚焦泵浦光束。

图１双端泵浦的高功率光纤激光器结构示意图Ｆｉｇ．１Ｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔａｌｃｏｎｆｉｇｕｒａｔｉｏｎｏｆｈｉｇｈｐｏｗｅｒｆｉｂｅｒｌａｓｅｒｗｉｔｈｔｗｏｅｎｄｓｐｕｍｐｉｎｇｓｃｈｅｍｅ实验中，为了实现更高功率的泵浦注入，采用双端泵浦的技术方案，如图１所示。

所用掺镱双包层光纤的内包层为Ｄ形（４５０μｍ／４００μｍ），数值孔径为０．３７，掺杂纤芯直径为３０μｍ。

由于掺杂浓度高，１５ｍ长度的光纤就可将泵浦光高效吸收，从而实现了在较短光纤长度下的高功率输出，为降低光纤激光器的成本进行了有益的探索。

两个中心波长在９７５ｎｍ的泵浦源从两端通过空间滤波和非球面透镜耦合入双包层光纤。

光纤的两个端面均作平面研磨抛光处理，其中一端紧贴一对泵浦光高透、激光高反的腔片，另一端则直接利用其端面反射构成激光反馈，并通过４５°双色片将产生的激光导出。

在激光实验中，仅开前端泵浦源，当驱动电流最大时，激光输出功率为１９３Ｗ；仅开后端泵浦源，当驱动电流最大时，激光输出功率为２４３Ｗ；双端泵浦均开至最大时，获得了４４４Ｗ的连续激光功率输出，转换效率在７０％以上。

实验中，光纤激光的输出功率随泵浦功率的增加而增加，有很好的线性关系，图２中也未发生光纤端面的泵浦烧蚀和激光损伤问题，表明通过改进系统结构，提高泵浦功率注入，这种掺镱光纤还有潜力实现更高的激光功率输出。