高功率光纖激光器關(guān)鍵技術(shù)及進(jìn)展

曹立君

摘要：隨著我國(guó)近代化發(fā)展，光纖激光器輸出功率也在飛速發(fā)展，由于高功率光纖激光器的超強(qiáng)功率，滿足許多行業(yè)對(duì)輸出功率的需求，被應(yīng)用于工業(yè)加工、軍事國(guó)防等多個(gè)領(lǐng)域。本文主要闡述高功率光纖激光器關(guān)鍵技術(shù)與進(jìn)展，并對(duì)其發(fā)展趨勢(shì)做出了相應(yīng)評(píng)價(jià)。

關(guān)鍵詞：高功率；光纖激光器；技術(shù)與進(jìn)展

引言

高功率光纖激光器對(duì)我國(guó)各行業(yè)都有極大的促進(jìn)作用，激光器的制作也被越來(lái)越多人關(guān)注。高功率光纖激光器關(guān)鍵技術(shù)包括光纖制作技術(shù)和激光合成技術(shù)。隨著時(shí)代的發(fā)展，這兩個(gè)技術(shù)不斷變化發(fā)展，最終變化為我們目前常用的以下幾項(xiàng)技術(shù)。

1.高功率光纖激光器的關(guān)鍵技術(shù)

1.1增益光纖制作技術(shù)

1.1.1稀土摻雜雙層石英光纖

石英是光纖的主要組成成分，具有硬度大、輸出功能強(qiáng)的特點(diǎn)，在制作高功率光纖激光器過(guò)程中摻雜稀土元素，可以增強(qiáng)高功率光纖激光器的韌性和質(zhì)量，有利于延長(zhǎng)激光器的使用壽命。為了將稀土的特殊屬性更好的發(fā)揮出來(lái)，一般采用雙包層技術(shù)制作光纖激光器。雙包層是指光纖由纖芯、內(nèi)包層和外包層和保護(hù)層構(gòu)成。光纖具有極強(qiáng)的反射能力，激光經(jīng)過(guò)內(nèi)包層的全反射，可以將能量完美的傳遞，對(duì)于強(qiáng)度過(guò)大來(lái)不及反射的激光，又可以通過(guò)外包層傳輸，實(shí)現(xiàn)二次傳輸?shù)哪康?，減少了光纖傳輸過(guò)程中的能量損耗。光纖激光器的傳輸能力與纖芯直徑的大小有很大的關(guān)系，纖芯直徑越大，運(yùn)輸?shù)募す獾睦寐示驮酱?，反之則越小。隨著科學(xué)技術(shù)的不斷發(fā)展，光纖纖芯直徑發(fā)生了很大變化，光纖的形態(tài)也從單一的圓柱形發(fā)展到了多邊形，相關(guān)人員對(duì)光纖纖芯規(guī)格參數(shù)也做了一定研究，根據(jù)光纖的實(shí)際應(yīng)用，光纖纖芯的制作規(guī)格有所不同。制作高功率光纖激光器的纖芯直徑不能過(guò)大，也不能過(guò)小，纖芯直徑過(guò)大會(huì)降低光纖輸出激光的光束質(zhì)量，影響激光器的功能，而纖芯直徑過(guò)小，無(wú)法滿足激光器高功率的需求，因此光纖的制作是高功率光纖激光器的重要過(guò)程。

1.1.2稀土摻雜光子晶體光纖

光子晶體的概念于1987年提出，而光子晶體光纖的概念最早由Russell.ST.J等人于1992年提出，簡(jiǎn)稱PCF。它是在石英光纖中沿軸向均勻排列空氣孔，從光纖端面看，存在周期性的二維結(jié)構(gòu)。與普通單模光纖不同，PCF是由其中周期性排列空氣孔的單一石英材料構(gòu)成，所以又被稱為多孔光纖或微結(jié)構(gòu)光纖。PCF具有特殊的單模傳輸特性、彎曲特性、色散特性和非線性特性等，具有普通光纖不具備的優(yōu)點(diǎn)，通過(guò)改變空氣孔的大小和排列而使PCF特性改變的可調(diào)節(jié)性，預(yù)示著PCF將會(huì)有廣泛的應(yīng)用前景。在稀土摻雜雙包層石英光纖的MCVD工藝中，只能通過(guò)纖芯直徑和數(shù)值孔徑的控制才能實(shí)現(xiàn)單模輸出。這種方法存在兩個(gè)問(wèn)題，一是纖芯直徑的增加受到工藝和其他參數(shù)的限制不能精確控制。而稀土摻雜雙包層PCF的導(dǎo)波性質(zhì)主要取決于光纖的結(jié)構(gòu)而與材料無(wú)關(guān)，可以將稀土摻雜雙包層PCF的模場(chǎng)面積增大，以降低光纖內(nèi)的功率密度和控制光纖產(chǎn)生非線性現(xiàn)象，目前這種具有大模場(chǎng)面積的稀土摻雜雙包層PCF已在高功率光纖激光器研制中受到重視，并將進(jìn)一步提高光纖激光器的功率水平。

1.2泵浦光耦合技術(shù)

1.2.1端面耦合技術(shù)

端面耦合技術(shù)主要運(yùn)用于雙包層光纖中，具體步驟為將泵浦光聚集到光纖的內(nèi)包層的端面處，直接耦合到雙包層光纖中。端面耦合技術(shù)的優(yōu)勢(shì)在于操作簡(jiǎn)單、易于實(shí)現(xiàn)。將泵浦光直接耦合傳輸，提高了光纖的傳輸功率。但該技術(shù)也存在劣勢(shì)，一方面由于強(qiáng)度過(guò)大的泵浦光耦合能量，易造成光纖端面的損耗，很大程度增加了光纖的報(bào)廢率，另一方面，耦合光束過(guò)于集中，光纖端面接受面積太小，光纖稍有移動(dòng)，就會(huì)造成很大誤差，傳輸?shù)墓馐|(zhì)量也會(huì)極度下降。隨著端面耦合技術(shù)不斷改進(jìn)發(fā)展，光纖合束器耦合方式應(yīng)運(yùn)而生。光纖合束器耦合技術(shù)可以滿足高功率光纖激光器的運(yùn)輸需求，同時(shí)可以實(shí)現(xiàn)多個(gè)泵浦源的同時(shí)泵浦，也降低了光纖端面的損耗率，進(jìn)一步提高了激光器的工作效率，解決了傳統(tǒng)光束傳輸?shù)暮芏啾锥恕?/p>

1.2.2側(cè)面耦合技術(shù)

側(cè)面耦合技術(shù)是將雙包層光纖的一段涂敷層以及其外包層剝除后，在內(nèi)包層的一個(gè)側(cè)面，泵浦光經(jīng)一定的耦合方式注入雙包層光纖內(nèi)層。該技術(shù)與端面耦合技術(shù)不同的是端面耦合技術(shù)是將泵浦光聚焦到光纖包層的端面處，而側(cè)面耦合技術(shù)是將泵浦光聚集在光纖側(cè)面再直接耦合。該技術(shù)彌補(bǔ)了耦合技術(shù)中由于光束強(qiáng)度、能量過(guò)高而造成光纖端面損傷的缺陷，側(cè)面耦合技術(shù)增加了光纖接受泵浦光的面積，減少了光纖的破損。但側(cè)面耦合技術(shù)對(duì)工藝要求較高，不易實(shí)現(xiàn)，也無(wú)法達(dá)到多點(diǎn)分布式泵浦的要求。因此為了解決側(cè)面耦合技術(shù)無(wú)法實(shí)現(xiàn)多點(diǎn)分布式泵浦的缺陷，研究人員推出了斜角光纖耦合技術(shù)和棱鏡耦合技術(shù)。斜角光纖耦合技術(shù)和棱鏡耦合技術(shù)可以簡(jiǎn)單、有效的實(shí)現(xiàn)多點(diǎn)分布式泵浦要求，是光纖耦合技術(shù)的一大進(jìn)步。這兩種技術(shù)主要是依靠光纖和泵浦光的一個(gè)最佳斜角，該斜角可以產(chǎn)生最大功率的輸出，從而極大程度的提高光纖激光器的工作效率。

1.3模式控制技術(shù)

模式控制技術(shù)主要是為了提高光纖激光器的工作效率，解決隨著光纖纖芯直徑增大，輸出光束質(zhì)量下降的問(wèn)題。模式控制技術(shù)可以通過(guò)多次模擬實(shí)驗(yàn)操作，判斷、推斷出光纖輸出功率、光束質(zhì)量和光纖損傷之間的大致關(guān)系，確定光纖纖芯直徑和光束質(zhì)量的最大限度，根據(jù)實(shí)際情況，制作相應(yīng)的光纖激光器。若需要的是高頻率、高效率的高功率激光器，就可以適當(dāng)增大光纖纖芯的直徑，若要求高質(zhì)量的光束，就不能只追求速度和時(shí)間了，只能根據(jù)相應(yīng)參數(shù)，制作纖芯直徑小的高功率光纖激光器。模式控制技術(shù)可以有效降低光纖激光器的制作成本，減少了不必要的光纖浪費(fèi)。

1.4激光合成技術(shù)

1.4.1激光波長(zhǎng)合成

激光波長(zhǎng)合成光束主要是將一些波長(zhǎng)、頻率相近的激光合成，從而得到質(zhì)量較好的光束。由于合成激光的波長(zhǎng)相近，所以激光波長(zhǎng)合成操作較為簡(jiǎn)單、易于實(shí)現(xiàn)。但激光波長(zhǎng)合成光束的輸出功率普遍較低，相關(guān)研究人員就又對(duì)該激光合成技術(shù)做了科學(xué)改革。在高功率光纖激光器中，激光在低頻率的諧振腔中達(dá)到一個(gè)穩(wěn)定的波長(zhǎng)，在其穩(wěn)定的基礎(chǔ)上實(shí)現(xiàn)光束疊加，光束疊加之后再通過(guò)功率放大，就獲得了高功率的激光。這樣避免了在高頻率中激光性質(zhì)不穩(wěn)定而造成光束質(zhì)量劣化的問(wèn)題，既達(dá)到了實(shí)際應(yīng)用中對(duì)光束的要求，又獲得了需要的功率輸出。

1.4.2激光功率相干合成

激光功率相干合成光束主要是將多路激光光束經(jīng)過(guò)相干控制后合成一束光。該激光合成光束降低了對(duì)激光頻率、功率和波長(zhǎng)的要求，波長(zhǎng)相差較大的激光可以通過(guò)相干控制合成一道光束，從而滿足實(shí)際生活中對(duì)激光多變的需求，也可以將多路功率小的激光通過(guò)相關(guān)控制進(jìn)行合成，從而得到高功率的激光。但激光的相干控制技術(shù)較為復(fù)雜，操作難度系數(shù)大，對(duì)操作員的要求也更高。

結(jié)語(yǔ)

高功率光纖激光器的發(fā)展和完善，有利于我國(guó)科學(xué)技術(shù)的發(fā)展。光纖制作工藝和研究都是國(guó)內(nèi)外關(guān)注的焦點(diǎn)，相信在未來(lái)，我國(guó)研究人員一定能完善光纖制作工藝，制造出簡(jiǎn)易、符合要求的高功率光纖激光器。

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