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全光纖激光器的典型光路結(jié)構(gòu)和光纖功率合成技術(shù)

圖1A是一種典型的單端泵浦連續(xù)單模大功率全光纖激光器的光路示意圖。單端泵浦結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，但有源區(qū)增益呈指數(shù)衰減，分布極不均勻，適合功率不是非常高的情況。

圖1B為典型的雙向泵浦連續(xù)單模大功率全光纖激光器的示意圖。雙向泵浦結(jié)構(gòu)相對(duì)復(fù)雜，但有源區(qū)增益分布均勻性得到改善，可實(shí)現(xiàn)更高功率輸出。

目前全光纖激光器單模連續(xù)輸出功率已經(jīng)達(dá)到2000W。

圖2為采用光纖功率合成技術(shù)制作多模光纖激光器的光路示意圖，采用這種技術(shù)，可將多個(gè)單模連續(xù)光纖激光器的輸出功率合成起來(lái)，獲得數(shù)萬(wàn)瓦或更高的光功率輸出并且光束質(zhì)量良好。

人們正在發(fā)展的相干合成技術(shù)，有望采用這種方式實(shí)現(xiàn)光纖激光器的相干合成，實(shí)現(xiàn)光纖激 光器萬(wàn)瓦量級(jí)的單模連續(xù)輸出。

特點(diǎn)和優(yōu)勢(shì)

全光纖激光器具有許多顯著特點(diǎn)，這使其在眾多方面展現(xiàn)出明顯的優(yōu)勢(shì)：

1） 增益介質(zhì)的表面積/體積比大

光纖激光器采用光纖做增益介質(zhì)，具有很大的表面積/體積比，這使其具有非常好的散熱性能，因此，即使非常高功率的光纖激光器，增益介質(zhì)也不會(huì)受到熱損 害，一般無(wú)需對(duì)增益介質(zhì)采取特別的散熱措施，而其他種類的激光器，增益介質(zhì)的散熱問(wèn)題是需要重點(diǎn)考慮的，因此，該特點(diǎn)是光纖激光器所獨(dú)有的。

2） 優(yōu)異的雙波導(dǎo)限制機(jī)制

高功率全光纖激光器采用雙包層有源光纖，這種雙包層光纖是一種雙波導(dǎo)結(jié)構(gòu)，高功率的多模泵浦光被限制在直徑較大的內(nèi)包層中傳輸，為采用高功率廉價(jià)的多模 泵浦光提供了條件，信號(hào)激光在直徑很小的具有圓對(duì)稱波導(dǎo)結(jié)構(gòu)的纖芯中產(chǎn)生和傳輸，在小芯徑纖芯波導(dǎo)的限制下，信號(hào)激光可獲得理想的光束質(zhì)量和極小的出光光 斑直徑，這是全光纖激光器獨(dú)具吸引力的重要特點(diǎn)，在高功率激光器中，目前還沒(méi)有一種激光器能夠超越。優(yōu)異的光束質(zhì)量和極小的出光光斑直徑在激光應(yīng)用中具有 非常重要的意義，可使后續(xù)應(yīng)用設(shè)備的光學(xué)系統(tǒng)更簡(jiǎn)單，體積更小，工作距離更長(zhǎng)，激光聚焦光斑更小，工作效率更高，加工深度更深，加工質(zhì)量更好等等。

3） 固有的全封閉柔性光路

全光纖激光器的光路全部由光纖和光纖元件構(gòu)成，光纖和光纖元件之間采用光纖熔接技術(shù)連接，整個(gè)光路完全封閉在光纖波導(dǎo)中。這種天然的全封閉性光路一旦形 成，無(wú)需另加隔離措施即可自成體系，實(shí)現(xiàn)與外界環(huán)境的隔離。由于光纖細(xì)小并具有很好的柔性，光路可盤(pán)繞和沿細(xì)小的管道穿行，因此，全光纖激光器能夠在比較 惡劣的環(huán)境下工作，輸出光可穿過(guò)狹小的縫隙或沿細(xì)小的管道進(jìn)行遠(yuǎn)距離傳輸。這些特點(diǎn)在工業(yè)應(yīng)用中優(yōu)勢(shì)巨大，激光器不但能適應(yīng)比較惡劣的工作環(huán)境，而且可使 激光器遠(yuǎn)離出光點(diǎn)，可將激光引入到以前很難到達(dá)的地方，可非常容易移動(dòng)和改變出光點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)多加工點(diǎn)共用一臺(tái)激光器，可使激光加工設(shè)備的設(shè)計(jì)具有更高的靈活 性等等。

4） 光路具有免維護(hù)特性

如前所述，全光纖激光器的光路全部由光纖和光纖元件構(gòu)成，光纖和光纖元件之間 采用光纖熔接技術(shù)連接，因此，光路一旦完成，即形成一個(gè)整體，實(shí)踐證明，這樣形成的連接結(jié)構(gòu)和連接參數(shù)將長(zhǎng)期保持穩(wěn)定，如果光纖和光纖元件本身能有長(zhǎng)期穩(wěn) 定性，整個(gè)光路將長(zhǎng)期穩(wěn)定，無(wú)需維護(hù)。需要特別指出的是，這種免維護(hù)的特性并非不可維護(hù)和維修，在需要的情況下，整個(gè)光路的維護(hù)和維修同樣可以進(jìn)行，因 此，與氣體和固體等激光器需要頻繁的維護(hù)和維修相比，全光纖激光器光路的免維護(hù)特性異常優(yōu)異，而與半導(dǎo)體激光器的不可維修性相比，全光纖激光器的可維護(hù)性 和可維修性又表現(xiàn)出明顯的優(yōu)勢(shì)。

5） 單條寬發(fā)光區(qū)長(zhǎng)壽命多模泵浦激光器

全光纖激光器的光路具有長(zhǎng)期的穩(wěn)定性， 因此，需要與之匹配的長(zhǎng)壽命泵浦激光器才能獲得整機(jī)的長(zhǎng)壽命。發(fā)展低價(jià)格的長(zhǎng)壽命多模泵浦激光器是發(fā)展長(zhǎng)壽命光纖激光器的重點(diǎn)。研究表明，半導(dǎo)體激光器的 失效率與有源區(qū)光功率密度的m次方成正比，m的取值范圍在2~3之間；與有源區(qū)電流密度的n次方成正比，n的取值范圍在3~6之間；與有源區(qū)的溫度呈指數(shù) 依賴關(guān)系，其數(shù)學(xué)表達(dá)式如下：

其中F為失效率，I為有源區(qū)的光功率密度，J為有源區(qū)的電流密度，EA為激活能，取值在0.4~0.7之間，KB為波爾茲曼常數(shù)，T為有源區(qū)溫度。

可見(jiàn)，降低有源區(qū)光功率密度、電流密度和有源區(qū)工作溫度對(duì)降低失效率有顯著意義。單條寬發(fā)光區(qū)多模泵浦激光器就是根據(jù)這一原理而設(shè)計(jì)的一種長(zhǎng)壽命半導(dǎo)體 泵浦激光器，其條寬一般取100mm，基本上已接近105/125多模光纖的纖芯直徑，其有源區(qū)條寬是列陣半導(dǎo)體激光器的幾十倍，對(duì)單一發(fā)光條來(lái)說(shuō)，同樣 輸出功率和同樣注入電流情況下，其光功率密度和電流密度將降低幾十倍，有源區(qū)溫度也會(huì)有所降低，在忽略其他因素的前提下，單條寬發(fā)光區(qū)半導(dǎo)體泵浦激光器降 低失效率的作用是異常顯著的。目前尾纖輸出功率大于5W的單條寬發(fā)光區(qū)半導(dǎo)體泵浦激光器的平均無(wú)故障工作時(shí)間已經(jīng)達(dá)到50萬(wàn)小時(shí)以上。

6） 壽命長(zhǎng)

從前面的討論我們已經(jīng)知道，采用單條寬發(fā)光區(qū)半導(dǎo)體泵浦激光器作為光纖激光器的泵浦源，全光纖激光器將具備長(zhǎng)壽命的特點(diǎn)，因此，制作具有幾十萬(wàn)小時(shí)的長(zhǎng)壽命光纖激光器在技術(shù)上已經(jīng)可行。

7） 體積小重量輕

全光纖激光器由于光路可盤(pán)繞，光路占用空間較小，在采用單條寬發(fā)光區(qū)半導(dǎo)體泵浦激光器做泵浦源的情況下，泵浦激光器可分散安裝，具有很好的散熱特性，在 安裝密度不高的情況下，采用風(fēng)冷即可，在安裝密度較高的情況下，只需少量通水即可滿足散熱要求，因此，全光纖激光器的體積比同樣輸出功率的氣體和固體激光 器系統(tǒng)更小，重量更輕。

8） 輸出功率大

光纖激光器輸出功率在突破100W以后，輸出功率水平飛速增長(zhǎng)，只用了 三年多時(shí)間，達(dá)到的輸出功率水平已經(jīng)超過(guò)了YAG固體激光器和CO2氣體激光器用三十多年達(dá)到的輸出功率水平，目前光纖激光器的實(shí)驗(yàn)室水平已經(jīng)超過(guò)10萬(wàn) 瓦，3萬(wàn)瓦的光纖已經(jīng)商品化，已經(jīng)銷(xiāo)售的光纖激光器，輸出功率為17000W。可以預(yù)見(jiàn)，光纖激光器將成為長(zhǎng)時(shí)間連續(xù)輸出功率最大的激光器。

9） 節(jié)水節(jié)電節(jié)成本

光纖激光器具有優(yōu)異的熱性能，電光效率較高，節(jié)水節(jié)電，尤其重要的是可長(zhǎng)期免維護(hù)使用，可節(jié)約大量維護(hù)經(jīng)費(fèi)和時(shí)間，提高工作效率。

10） 造價(jià)不斷降低

全光纖激光器的光路全部由光纖和光纖元件構(gòu)成，由于原料易得，在技術(shù)、產(chǎn)品和市場(chǎng)成熟之后，可大幅度降低成本。除光路部分外，半導(dǎo)體泵浦激光器是構(gòu)成光纖激光器成本的主要部分，從光通信的發(fā)展歷史和經(jīng)驗(yàn)來(lái)看，隨著技術(shù)的發(fā)展和市場(chǎng)容量的不斷擴(kuò)大，大幅度降低半導(dǎo)體泵浦激光器的成本將成為必然趨勢(shì)。 #p#分頁(yè)標(biāo)題#e#

5大關(guān)鍵技術(shù)和發(fā)展趨勢(shì)

特種光纖技術(shù)

全光纖激光器需要使用雙包層有源光纖、雙包層光敏光纖、能量傳輸光纖等多種特種光纖，隨著輸出功率的不斷提高，對(duì)特種光纖的技術(shù)要求也越來(lái)越高，因此， 特種光纖的發(fā)展將在光纖激光器的發(fā)展中扮演重要角色。以光子晶體光纖為代表的新一代特種光纖會(huì)在光纖激光器的發(fā)展中逐步得到應(yīng)用。特種光纖的發(fā)展，將使有 源光纖的增益更高、承受的功率密度更大、對(duì)泵浦光的吸收更有效；將使光柵的制作更容易、光柵的穩(wěn)定性更好、使光柵在光纖激光器中的用途更廣泛；將使能量傳 輸光纖能夠傳輸更高的功率，能夠?qū)⒏吖β始す鈧魉透h(yuǎn)的距離，能夠傳輸?shù)牟ㄩL(zhǎng)范圍不斷拓展；將使泵浦耦合更加容易實(shí)現(xiàn)，能承受的泵浦功率更高，損耗更小等 等。

包層泵浦耦合技術(shù)

全光纖激光器的包層泵浦耦合技術(shù)對(duì)決定光纖激光器性能和水平具有不可估量的作用。 用于大功率全光纖激光器的光纖泵浦耦合器件和光纖功率合成器件，均在很高的功率下條件下使用，其耦合效率必須很高，損耗必須很小，承受的功率必須很大，并 且，輸入光的路數(shù)還需要盡可能的多。在如此眾多的極限條件要求下，制作優(yōu)質(zhì)的泵浦耦合器件和功率合成器件具有很高的難度，不過(guò)，實(shí)現(xiàn)的方式方法也多種多 樣，這是一項(xiàng)富有挑戰(zhàn)性的技術(shù)。從大功率全光纖激光器的發(fā)展趨勢(shì)來(lái)看，還要求泵浦耦合器件在將泵浦光耦合到內(nèi)包層的同時(shí)，盡量不影響和損害雙包層光纖的纖 芯，因?yàn)橹挥羞@樣才能在不影響信號(hào)激光的產(chǎn)生和傳輸?shù)那闆r下實(shí)現(xiàn)級(jí)聯(lián)泵浦，實(shí)現(xiàn)超大功率的輸出。本文認(rèn)為，發(fā)展對(duì)纖芯影響最小的泵浦耦合技術(shù)是泵浦耦合器 件的發(fā)展方向。對(duì)于光纖功率合成器件，所追求的目標(biāo)就是不斷提高合成的光功率。

光纖光柵技術(shù)

光纖光柵在全光纖激光器中，目前的作用是反射纖芯中的信號(hào)激光器形成諧振腔，不過(guò)，隨著光纖激光器技術(shù)的進(jìn)一步發(fā)展，光纖光柵在光纖激光器中會(huì)有新的用途，從而對(duì)光纖光柵的制作技術(shù)提出新的挑戰(zhàn)，其中值得關(guān)注的方向之一，是在大芯徑多模光纖上制作高質(zhì)量的光纖光柵。

半導(dǎo)體泵浦激光器技術(shù)

半導(dǎo)體泵浦激光器是光纖激光器的關(guān)鍵器件，對(duì)光纖激光器的可靠性、壽命和制作成本等影響至關(guān)重要，發(fā)展單條寬發(fā)光區(qū)長(zhǎng)壽命半導(dǎo)體泵浦激光器已經(jīng)成為光纖 激光器用半導(dǎo)體泵浦激光器的一種趨勢(shì)，不斷提高單個(gè)激光器的輸出功率、不斷降低成本和進(jìn)一步提高可靠性是重點(diǎn)，其中改進(jìn)和創(chuàng)新封裝結(jié)構(gòu)應(yīng)該是核心工作，因 為目前封裝成本所占比重還很高。

光纖激光器整機(jī)技術(shù)

全光纖激光器的整機(jī)設(shè)計(jì)和制作所涉及的知識(shí)、內(nèi)容、 技術(shù)、工藝、經(jīng)驗(yàn)和Know How較多，是全光纖激光器設(shè)計(jì)和制作最核心、最關(guān)鍵的技術(shù)，尤其在新型大功率全光纖激光器的發(fā)展歷史還相當(dāng)短暫的今天，還有大量開(kāi)創(chuàng)性的工作需要進(jìn)行。 進(jìn)行全光纖激光器的整機(jī)設(shè)計(jì)和制作，不但需要面向應(yīng)用進(jìn)行合理設(shè)計(jì)，而且肩負(fù)著整機(jī)結(jié)構(gòu)和方案的改進(jìn)創(chuàng)新重任、肩負(fù)著各重要部件和關(guān)鍵技術(shù)的改進(jìn)和創(chuàng)新重 任。目前在世界范圍內(nèi)，進(jìn)行光纖激光器整機(jī)設(shè)計(jì)和制作的廠家均在創(chuàng)新上有大量的投入。