光纤激光器研究进展_申人升

收稿日期:2008-10-13.
动态综述
光纤激光器研究进展
申人升,张玉书,杜国同
(大连理工大学物理与光电工程学院,辽宁大连116023)
摘　要:　光纤激光器具有寿命长,模式好,体积小,免冷却等一系列其他激光器无法比拟的优点,近年来受到了来自电子信息、工业加工和国防科技等研究开发领域的高度关注。

文章概述了光纤激光器典型的工作原理,阐述了其当前主要研究方向以及国内外研究现状,最后提出了光纤激光器产业化的趋势。

关键词:　光纤;光纤激光器;光子晶体光纤;超短脉冲
中图分类号:TN248　文献标识码:A 文章编号:1001-5868(2009)01-0001-05
Latest Development of Fiber Lasers
S HEN Ren -sheng ,ZH ANG Yu -shu ,DU Guo -tong
(School of Physics and Optoelectronic Technology ,Dalian University of Technology ,Dalian 116024,C HN )
A bstract :　Fiber lasers ow n lots of advantages co mpa red with o ther lasers ,including lo ng life ,goo d mode ,compactness ,etc .Recently ,fiber lasers have received increasing ly intensive attention in the applications o f electro nic info rm ation ,industry processing and national defense technolog y .T he ty pical principle o f fiber laser is explained and research prog re sses about fiber lasers are review ed .Fur thermo re ,the future developmental trends fo r lase r fiber are discussed .
Key words :　fiber ;fibe r lasers ;photonic crystal fiber ;ultrasho rt pulse
0　引言
光纤激光器诞生于20世纪60年代初,它是伴随着光纤通信技术、光纤制造工艺以及与激光器生产技术的日趋成熟而迅猛发展起来的新型器件。

由于其在高速率、密集波分复用(DWDM )通信系统、高精度传感技术和大功率激光加工等方面呈现出潜在的技术优势和广阔的应用前景,所以备受世界各国科研工作者的青睐,现已成为国际学术界的热门研究对象。

光纤激光器与其他类型激光器相比较,其优点为:(1)泵浦功率低、增益高、输出光束质量好;(2)与其他光纤器件兼容,可实现全光纤传输系统;(3)使用光纤作为基体,其结构具有较高的比表面积,因而散热好;(4)体积小,携带方便;(5)光纤激光器可以作为光孤子源,实现光孤子通信。

1　原理与分类
1.1　基本工作原理
图1所示为典型光纤激光器的基本结构。

图1　光纤激光器基本结构
典型光纤激光器主要由三部分组成:产生光子的增益介质、使光子得到反馈并在增益介质中进行谐振放大的光学谐振腔和激发增益介质的泵浦源。

其中,增益介质为掺杂稀土离子的纤芯。

当泵浦光从反射镜1(或光栅1)入射到掺杂光纤芯中时,会被所掺杂的稀土离子吸收。

吸收了光子能量的稀土离子会发生能级跃迁,实现“粒子数反
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转”,反转后的粒子经弛豫后会以辐射形式再从激发态跃迁回到基态,并释放出能量,从反射镜2(或光栅2)输出。

1.2　分类
根据光纤激光器激射机制、器件结构以及输出激光特性的不同可以有多种不同的分类方式。

以目前光纤激光器技术的发展情况来看,其分类主要有以下几种:
(1)按光纤基体结构分类:单包层和双包层光纤激光器。

(2)按输出波长个数分类:单波长激光器和多波长激光器。

(3)按增益介质分类:稀土离子掺杂光纤激光器(如Nd3+、Er3+、Yb3+、Tm3+、H o3+等)、单晶光纤激光器、塑料光纤激光器和光纤孤子激光器。

(4)按谐振腔结构分类: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。

2　主要研究方向及现状
目前,对于光纤激光器的研究方向主要集中在高功率光纤激光器、窄线宽光纤激光器、多波长光纤激光器、超短脉冲光纤激光器、拉曼光纤激光器和光子晶体光纤激光器等几个方面。

2.1　高功率光纤激光器
高功率光纤激光器[1]与同等功率水平的其他类型激光器相比较,其具有效率高、体积小、冷却温度低和光束质量好等优点,因此高功率光纤激光器一直是光纤激光器领域中最热门的研究方向。

如何提升单根光纤激光的输出功率,是高功率光纤激光器发展的主要研究内容之一。

1999年美国的V.Dominic等人[2]用4个45W的半导体激光器从光纤两端泵浦,获得了110W的单模连续激光输出。

但由于光纤和泵浦源技术的限制,在此后近3年的时间里,单光纤激光输出功率没有获得突破性进展。

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快速提高,德国的IPH T、英国的SPI和美国的IPG公司分别报道了200W、270W和300W的光纤激光器。

在2004年初的Pho to nics We st会议上,英国的SPI公司报道了1kW的光纤激光器。

随后,英国南安普顿大学报道了1.36kW连续波光纤激光器[3],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。

2004年美国的IPG公司研制出了10万瓦的光纤激光器和1.7万瓦的工业光纤激光器生产线。

由于单根光纤输出的激光功率毕竟有限,于是人们想到利用激光光束组合技术实现输出功率的提高。

近年来,其研究方法主要有两种:相干光束组合和非相干光束组合。

由于光纤激光器的相干组束技术可以将多路激光束相干叠加,在提升输出总功率的同时,保持了光纤激光器良好的光束质量,因此该技术成为了高功率光纤激光器研究中很有前途的发展方向。

目前,研究人员已经提出了多种相干组束技术,主要有:主振荡放大技术[4]、多芯光纤自组装技术[5]、全光纤组束技术[6]、光谱组束技术[7]和外腔相干组束技术[8-9]等。

光纤激光器的相干组束技术研究才刚刚起步,尚处于实验研究阶段[10]。

2.2　窄线宽光纤激光器
对于激光器来说,如果只允许一个纵模振荡,则形成单频激光器,其输出光具有极高的时间相干性。

该类型激光器具有很高的实用价值[11],所以窄线宽光纤激光器就成为光纤激光器研究领域的另一个热点,它以线宽窄、低噪声等优点广泛应用于光纤传感、光纤遥感、高精度光谱及光纤通信领域[12]。

窄线宽光纤激光器的早期研究工作主要集中在固定波长的窄线宽光纤激光器上,振荡波长由固定波长响应的滤波器控制,如布拉格光栅,其反射中心波长由光栅周期决定,反射带宽由光栅长度决定。

除了通过对光纤光栅施加应力或温差来改变振荡波长外,还可以通过旋转光栅、调节腔内标准具角度、利用声光滤波器、电调液晶标准具等方式来实现。

窄线宽光纤激光器常见的腔体结构有线形腔结构和环形腔结构。

其中,线形腔结构简单、工作稳定,但是由于驻波场存在空间烧孔效应,不利于实现单频运转,常常把腔体变短,从而导致抽运转化效率低。

而采用环形腔结构的窄线宽光纤激光器则可以消除空间烧孔效应,并实现单频运转,其腔体较长,增益高。

2007年光库通讯向市场推出一款超窄线宽光纤激光器,其采用美国核心专利技术和高浓度铒/镱离子共掺有源光纤,有效解决了输出功率与光束质量之间的矛盾。

其腔体长度小于5cm,线宽小于3 kH z,高达150mW的输出功率,波长调谐范围为20 GH z,相干长度可达75km。

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2.3　多波长光纤激光器
多波长光纤激光器在DWDM光纤通信系统、分布式多波长光纤传感系统、光学测试、光谱学等方面具有广泛的应用前景[13]。

多波长光纤激光器主要是利用光纤光栅反馈和滤波机理实现多波长选择的。

为了实现波长间隔可调,人们将保偏光纤引入R型光环路中,用保偏光纤替代滤波器。

对于多波长光纤激光器来说,掺铒光纤增益在室温条件下的均匀展宽线宽较大,各纵模间存在模式竞争,难以实现多波长的同时激射。

只有将其放置于液氮(温度77K)条件下,掺铒光纤才能实现多波长同时激射。

所以,实现常温条件下输出波长可调,波长间隔可调和通道可调一直是多波长光纤激光技术领域的研究重点。

2002年,R.Slavik等人[14]报道了一种在腔内放置声光频移器的多波长掺铒光纤环形激光器,其在室温条件下实现了C波段的1538～1548nm之间13条谱线或者1543～1560nm之间18条谱线输出。

2003年,K.Cheng等人[15]报道了一种室温条件下超低损耗的全光纤多频激光器,实现了18通道输出。

2006年,Y.G.Liu等人在常规掺Er3+环形激光器上实现了室温下多波长激光的输出[16]。

2007年,Yan M等人利用级联的长周期光栅做谐振腔滤波器得到1556.0nm,1558.6nm和1561.2 nm三个波长的激光输出[17]。

目前,已经报道的多波长EDFL都具有较窄的增益频谱,因此限制了更多波长的激光振荡。

DWDM技术的成熟对多波长激光器的性能也提出了更高的要求。

另外,由于增益介质和激光腔的设计仍是制作高性能、低成本多波长光纤激光器的关键,所以如何改善目前多波长EDFL中EDF过长而产生的对环境敏感等因素和如何使得输出波长更加稳定且易于调节,是以后多波长EDFL研究发展的趋势[18]。

2.4　超短脉冲光纤激光器
超短脉冲光纤激光器是根据锁模原理实现激光输出的,即当光纤中各纵模频率间隔相同且相邻纵模间相位差为常数时即可获得锁模激光脉冲输出。

根据锁模方式不同,可分为主动锁模光纤激光器和被动锁模光纤激光器。

由于主动锁模调制能力有限,限制了锁模脉冲的宽度,所以主动锁模光纤激光器的脉冲宽度通常为皮秒量级。

而被动锁模光纤激光器则是利用光纤或其他元件中的非线性光学效应实现锁模的,其结构简单,在一定条件下不需要插入任何调制元件就可以实现自启动锁模工作。

2006年,A.Po ly nkin等人[19]报道了一种新的被动锁模超短腔高平均功率皮秒级短脉冲光纤激光器,获得稳定的重复率达550M H z的脉冲激光输出(平均输出功率500～775mW)。

2007年, Sumimura等人[20]利用啁啾光栅做谐振腔得到了稳定的、单模输出的飞秒锁模光纤激光器。

超短脉冲的飞秒技术应用已步入快速发展阶段,并在很多领域得以应用。

在不久的将来,脉冲能量为100μJ、输出功率为几十瓦的飞秒激光器有可能在工业中得到应用。

据报道,皮秒光纤激光器现已经突破了100W壁垒,并有可能成为未来高速自由空间系统的中心组件,用于卫星间,甚至行星间的通信[21]。

超短脉冲技术在通信领域中已经成为了实现高速光时分复用的关键,而对于超短脉冲激光器的应用也已经深入到材料、生物和医学等多学科领域。

2.5　拉曼光纤激光器(RFL)
RFL利用光纤中的受激拉曼散射效应作为基本原理来实现激光振荡。

基于受激拉曼散射效应原理制备的光纤激光器与基于掺杂稀土离子的光纤激光器相比较,其具有更高的饱和功率,同时又没有泵浦源的限制,所以该类激光器在光纤陀螺、光纤传感、波分复用及相干光通信系统中有着重要的应用。

当前RFL的主要增益介质是锗硅光纤和磷硅光纤,它们的拉曼频移分别为440cm-1和1330 cm-1。

如果选择合适的泵浦源和增益介质,原则上RFL能够在任意波段获得激光输出,并可进行宽带调谐。

近年来,由于RFL的研究进展迅速,新结构、新用途的激光器相继出现,使得RFL各方面的性能大为提高,已经具有了实用价值。

阿尔卡特公司在OFC'2002会议上曾报道了一种可重构三波长的RFL结构,其用于C+L波段的拉曼放大器中。

2003年南开大学的苏红新等人[22]报道了内腔级联RFL输出特性的实验研究结果。

2004年深圳大学的杜戈果等人[23]报道了利用国产镀膜镜作为谐振腔镜实现的一级拉曼激光输出的实验结果。

同年,Skubchenko等人[24]研制出一种高功率的全光纤保偏RFL;Abeeluck等人[25]利用高非线性色散位移光纤获得了3.2W,超过544nm的超连续输出;Sim等人[26]在1539nm实现了输出
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13.2W,转换效率为32.5%的激光,是目前在1400～1600nm波段已报道的功率最高的级联RFL。

2.6　光子晶体光纤激光器(PCFL)
由于与传统的光纤相比较,光子晶体光纤(PCF)具有无限单模特性、可控色散特性、高双折射、超连续性和大模场面积等优点,所以使得PCFL 具有了其他光纤激光器所不具备的独特优势。

自2000年W adsw o rth首次报道PCFL以来[27],PCFL的研究已经取得重大研究进展,其某些性能已经达到甚至超过了常规光纤激光器。

其中具有发展前景的典型器件是掺Yb和双包层的PCFL、基于PCF的脉冲光源及全光纤PCF拉曼激光器[28]。

2003年,德国和丹麦的研究人员分别报道了波长为1070nm、输出功率达到80W、斜率效率为78%的高功率PCFL激光器[29]。

2003年, Wadsw o rth等人报道了利用大模面积空气包层PCF研制的高功率PCFL,最大输出功率3.9W,斜率效率30%,实现了单横模运转[30]。

2004年, C ry stal Fiber A/S公司利用三芯结构光子晶体光纤实现了激光输出,功率为260W。

2005年,英国Bath大学A.Or tigo sa等人用200fs的泵浦脉冲在PCF中产生了超连续谱。

2006年,闫培光等人制备出3.8W PCF拉曼激光器[31]。

3　主要应用领域
光纤激光器应用范围非常广泛,如光纤通信(包括空间远距通信)、工业加工(金属或非金属的打标、钻孔、切割、焊接)、军事国防、医疗器械、大型基础建设等。

随着对光纤激光器研究的不断深入,其应用的范围不断扩展,实用化的步伐不断加快,其中在军事、工业、生物医学和通信领域的应用尤为突出。

3.1　军事领域
窄线宽光纤激光器在军事领域的应用十分突出,尤其是高精度激光目标指示和超远距离测距技术。

目前一般的商业激光测距仪的测量距离最远为10～20km,这是由于它的动态范围和测量敏感度限制所致,其性能无法满足军方ISR(情报、监视、侦察)综合平台的需求。

基于频率调制连续波长技术原理,光库通讯研制出一种1550nm超窄线宽光纤激光器,能广泛应用于几百公里的激光目标指示和激光测距,从而大大降低了搭建IS R平台的成本。

另外,研制激光武器一直是军事领域中的焦点。

据报道,2006年美国海军提出在10年内研制出一种100kW,机载光纤激光器吊舱。

另据美国军事与航空航天电子网报道,美国空军研究人员于2007年开始探索先进光纤激光器系统的创新技术及方法。

所以,光纤激光器极有可能成为未来武器级固态激光器系统的候选方案。

3.2　工业领域
光纤激光器在工业领域中已经成为金属和非金属切割、加工与处理的理想设备,其在激光打标、精密切割、激光焊接、精密打孔和激光测量等应用技术方面明显优于传统的固体或气体激光器。

光纤激光器现已在汽车和船舶等制造业中大显身手。

3.3　生物医学领域
光纤激光器在生物医学领域中也得到了广泛的应用,如光相干层析技术、显微外科手术、皮肤美容等。

在此方面的应用,美国处于世界领先地位。

激光医疗设备不仅在美国获得广泛应用,而且大量出口。

3.4　通信领域
光纤激光器以其独特的优势带动了光纤通信的发展,是实现光孤子通信的关键技术。

它不但可以实现连续的激光输出,而且还可以产生皮秒甚至飞秒的超短脉冲,能够实现高速、大容量和高质量的信息传输,为实现全光通信系统提供保障。

4　结束语
光纤激光器比传统的固体或气体激光器的结构更简单,体积更小巧。

就像当年硅基晶片替代电子管产品一样,光纤激光器在激光领域必将掀起一场革命。

面对市场的需求,光纤激光器将会沿着高功率、窄线宽、大范围可调谐的方向发展,我们应该充分利用现有的技术条件,结合国外先进的科研技术,有针对性地研究开发出性能更好、功率更高的光纤激光器,以满足市场需求。

光纤激光器的研究必将成为我国在激光产业未来发展方向上的一个重点。

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作者简介:
申人升(1978-),男,工程师,博士研究生,研究方向为光纤传感器件及光纤激光器。

E-mail:shjiank@
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