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淺析高功率光纖激光器

訊石光通訊網(wǎng)   發(fā)布時間:2013/10/10 22:54:06   編者:iccsz    
摘要：所謂高功率光纖激光器，是相對于光纖通訊中作為載波的低功率光纖激光器而言（功率為mW級），是定位于機械加工、激光醫(yī)療、汽車制造和軍事等行業(yè)的高強度光源。高功率光纖激光器巧妙地把光纖技術(shù)與激光原理有機地融為一體，鑄造了21世紀(jì)最先進和最犀利的激光器。

 

        前言：
 
        所謂高功率光纖激光器，是相對于光纖通訊中作為載波的低功率光纖激光器而言（功率為mW級），是定位于機械加工、激光醫(yī)療、汽車制造和軍事等行業(yè)的高強度光源。高功率光纖激光器巧妙地把光纖技術(shù)與激光原理有機地融為一體，鑄造了21世紀(jì)最先進和最犀利的激光器。即使是在激光技術(shù)發(fā)達的國家，光纖激光器也是尖端、神秘和充滿誘惑的代名詞。2002年6月，光纖激光器空降中國，震撼了中國激光學(xué)術(shù)和產(chǎn)業(yè)界，引起了尊至院士的深情關(guān)注!
 
    一、光纖技術(shù)
 
        光纖激光器的最大特點就是一根光纖穿到底，整臺機器高度實現(xiàn)光纖一體化。而那些只在外部導(dǎo)光部分采用光纖傳輸或者LD泵浦源采用尾纖來耦合的激光器都不是真正意義上的光纖激光器。
 
        光纖是以SiO2為基質(zhì)材料拉成的玻璃實體纖維，主要廣泛應(yīng)用于光纖通訊，其導(dǎo)光原理就是光的全反射機理。普通裸光纖一般由中心高折射率玻璃芯(芯徑一般為9-62.5μm)?、中間低折射率硅玻璃包層?(芯徑一般為125μm)?和最外部的加強樹脂涂層組成。〈見圖一〉光纖可分為單模光纖和多模光纖。單模光纖：中心玻璃芯較細(直徑9μm+0.5μm)，只能傳一種模式的光，其模間色散很小，具有自選模和限模的功能。多模光纖：中心玻璃芯較粗(50μm?+1μm)，可傳多種模式的光，但其模間色散較大，傳輸?shù)墓獠患儭?/div>
 
 
       用于高功率光纖激光器中的光纖不是普通的通訊光纖，而是摻雜了多種稀有離子、結(jié)構(gòu)更為復(fù)雜、耐高輻射的特種光纖---雙包層光纖。
 
 
        雙包層光纖比普通光纖在纖芯外多了一個內(nèi)包層，對泵浦光而言是多模的，直徑和受光角較大，能大肆吸收高亮度的多模泵浦光，在光纖內(nèi)聚集大量的光子。實踐證明：橫截面為D型和矩形的雙包層光纖具有95%的耦合效率因而得到廣泛應(yīng)用。對于脈沖光纖激光器而言，一個重大的課題就是如何提高光纖的耐輻射能力。目前世界上光纖激光器的單脈沖能力可以達到20,000W，一根頭發(fā)絲大小的光纖如何能承受如此高的激光輻射？所以必須考慮在光纖內(nèi)摻雜某種特殊離子防止光纖被燒壞。比如摻雜了鈰離子的光纖就是在核輻射情況下，既不會因染色而失去透光能力，更不會受熱變形。
   
       二、傳統(tǒng)固體激光器
 
        激光器說白了就是一個波長轉(zhuǎn)換器---波長短的泵浦光激勵摻雜離子轉(zhuǎn)換成長波長的光輻射，它一般由3部分組成：工作物質(zhì)、諧振腔和泵浦系統(tǒng)。由于光纖激光器本質(zhì)上屬于固體激光器，所以在此僅比較一下傳統(tǒng)Nd:YAG激光器的特性。
 
   工作物質(zhì)：
 
   工作物質(zhì)是固體激光器的心臟，它的物理性質(zhì)由基質(zhì)材料決定，光譜性質(zhì)由激活離子內(nèi)的能級結(jié)構(gòu)決定。在YAG單晶體中摻入三價的Nd3+，便構(gòu)成了目前廣泛應(yīng)用的YAG激光晶體。它主要有如下明顯的特點：
 
       1、YAG棒生長速度很慢，一般小于1mm/h。目前最大晶體棒的直徑為40mm，長180mm，所以激光增益從根本上受到限制，無法實現(xiàn)特高功率激光輸出。 
       2、工作物質(zhì)只要是晶體就無法回避激光棒的熱透鏡效應(yīng)、熱應(yīng)變和熱致雙折射現(xiàn)象，嚴(yán)重時出現(xiàn)“激光淬滅”和激光棒斷裂；所以，YAG激光器效率很低。
       3、Nd:YAG棒的主要吸收譜線在810nm附近，其帶寬約為2nm，所以要嚴(yán)格控制泵浦源的線寬，否則吸收無效反而造成熱損耗，所以YAG激光器一般要加龐大的冷卻系統(tǒng)。
       4、由于Nd3+半徑與Y3+半徑不完全相符，Nd3+離子摻入YAG晶體中在結(jié)構(gòu)上存有天生的缺陷造成光學(xué)瑕疵，不能夠在YAG晶體中摻入高濃度的Nd3+來實現(xiàn)高增益，這同時也是影響激光器光學(xué)性能的根本。
       5、處于亞穩(wěn)態(tài)能級的Nd3+離子平均壽命長為300us，其最佳Q開關(guān)重復(fù)頻率只能是1/300us，即3.3Khz，所以YAG激光器的Q開關(guān)一般設(shè)定為3-5Khz而無法實現(xiàn)高頻工作。
 
     光學(xué)諧振腔：
 
        傳統(tǒng)光學(xué)諧振腔主要由工作物質(zhì)兩端鍍了膜的兩塊鏡片組成，起著正反饋、選模和輸出耦合的作用。比較光纖激光器獨特的腔結(jié)構(gòu)，傳統(tǒng)光學(xué)諧振腔主要有如下特點：
      1、由于是由兩塊鏡片組成，諧振腔受到機械振動、熱透鏡效應(yīng)以及晶體棒熱焦距擾動影響，從而造成激光無法正常出光，需極為煩瑣的調(diào)光與監(jiān)控。
      2、腔鏡對灰塵、水分和雜物十分敏感，需經(jīng)常專業(yè)擦拭，否則影響激光功率。
      3、腔長長度與輸出功率是一對矛盾，光束質(zhì)量與激光能量是一對矛盾；只有采取昂貴的選模/鎖模腔才可以實現(xiàn)高質(zhì)量的大功率輸出。
      4、從激光晶體激勵出來的初始激光不是單模光，而是一束直徑為幾毫米的光束，必須通過腔鏡衰減或選模機制來實現(xiàn)單模輸出，從而降低了整體轉(zhuǎn)換效率。
 
        泵浦系統(tǒng)：
 
       由于燈泵系統(tǒng)的優(yōu)缺點廣為人知，在此僅談?wù)凞PSSL的泵浦方式的某些特性：
      1、由于DPPSSL主要是在泵浦系統(tǒng)上稍作改進，它只能緩解激光棒熱效應(yīng)，而無法從本質(zhì)上根除晶體激光器的這個弊病。
      2、需嚴(yán)格控制LD的波長在808-812nm之間，要么加冷卻系統(tǒng)，要么加波長鎖定器，這是由于Nd :YAG晶體光譜特性所決定的。
      3、如泵浦光聚焦在幾毫米的晶體端面進行端泵，一是無法實現(xiàn)高功率輸出；二是泵浦光不能太強，否則膜層可能脫落，晶體棒無法及時散熱，甚至出現(xiàn)棒畸變。
      4、如泵浦光對晶體進行側(cè)面泵浦，則一般為多模輸出，如不采取專門措施，無法提高光束質(zhì)量。
      5、LD直接發(fā)射出的激光為高度高斯像散光束，在進行端泵時需增加各種光學(xué)元件把泵浦光校準(zhǔn)、聚焦在晶體上，這些附加的光學(xué)器件必將受到機械振動、灰塵和潮濕的影響，從而降低轉(zhuǎn)換效率。
 
       三、低功率光纖激光器
 
       普通通訊用的光纖激光器輸出功率一般都是毫瓦級，其典型結(jié)構(gòu)如下圖
 
 
        它與我們傳統(tǒng)加工用的工業(yè)激光的顯著區(qū)別有：
 
       1、用摻雜離子的光纖作為工作物質(zhì)
       2、用光纖光柵代替光學(xué)鏡片構(gòu)成光學(xué)諧振腔
       3、LD泵浦源可以通過尾纖與摻雜光纖無縫耦合
       4、導(dǎo)光部分也直接采用光纖輸出
 
        但是該種激光器的單模纖芯直徑只有9um，而且只能采用端泵，無法承受太高的功率密度；另外，單模纖芯對LD的模式提出了嚴(yán)格的要求，只有單模光才可以耦合進纖芯進行有效泵浦，可惜大功率單模LD至今無法實現(xiàn)；最后，強泵浦光耦合在很細的纖芯里會出現(xiàn)嚴(yán)重的非線性效應(yīng)，從而改變會改變光學(xué)性能和降低轉(zhuǎn)換效率。由于該種激光器受到功率的影響，一直以來只局限于光通訊領(lǐng)域；同時由于巨大的行業(yè)差距，幾乎無人曾敢把它與激光加工聯(lián)想到一塊。所以，大功率輸出是光纖激光器發(fā)展的最大瓶頸，幾乎所有的研究工作都在圍繞這個問題展開。
 
        盡管中國絕大部分人士是在2002年以后才意識到高功率光纖激光器，可是俄羅斯至少潛心苦研了20年后有了IPG公司，英國也至少研究了30年也有了SPI。他們在冷戰(zhàn)時代都肩負(fù)著重要的國防使命，得到了國家的鼎立支持并一直是軍事領(lǐng)域的絕密。?
 
        四、高功率光纖激光器
 
        下圖是來自俄羅斯技術(shù)的IPG公司的高功率光纖激光器的原理圖，按激光器三大組成部分淺析如下：
 
 
        工作物質(zhì)-----雙包層特種光纖：
 
        1、單模纖芯由摻鐿離子等元素的石英材料構(gòu)成，作為激光振蕩通道；而內(nèi)包層則由橫向尺寸和數(shù)值孔徑比纖芯大的多、折射率比纖芯小的純石英材料構(gòu)成，它是接受多模LD泵浦光的多模光纖；正是因為摻雜激活纖芯和接受多模泵浦光的多模內(nèi)包層分開，才得以實現(xiàn)了多模光泵浦而單模光輸出的可能，從而無形化解了激光功率和光束質(zhì)量這一矛盾。
       2、整個雙包層光纖采用D型等結(jié)構(gòu)，旋光效應(yīng)小，吸收充分，光光轉(zhuǎn)換80%以上。
       3、光纖兩側(cè)生出無數(shù)杈纖，每分衩可與帶尾纖的LD無縫耦合形成分點泵浦，可極大地提高輸出功率，同時又避免了傳統(tǒng)端泵帶來的一系列熱效應(yīng)問題。
       4、光纖采用比普通玻璃性能更好的石英材料制成，同時摻雜耐高輻射離子，整段光纖可承受高達10,000W的激光能量而不會出現(xiàn)熱損傷情況。
       5、Yb3+沒有激發(fā)態(tài)吸收，可高濃度摻雜，同時光纖可達幾百米，一可大大提高激光增益，二又增大了散熱面積；光纖盤在熱沉上，簡單風(fēng)冷便可穩(wěn)定工作。
       6、 Yb3+的吸收譜比Nd3+要寬10倍，對LD光源模式十分寬松，幾乎不受波長溫漂的影響，可大大轉(zhuǎn)換效率。
       7、 Yb3+能級為簡單的二能級，亞穩(wěn)態(tài)壽命是Nd3+的三倍，小功率泵源就可在激發(fā)態(tài)積累貯存大量的能量，十分合適在極窄的纖芯內(nèi)形成高密度的離子數(shù)反轉(zhuǎn)，從而可輸出穩(wěn)定的強激光。
 
 
        光學(xué)諧振腔----光纖光柵：
 
 
         1、光纖光柵是利用光纖材料的光敏性：即外界入射光子和纖芯相互作用而引起后者折射率的永久性變化，用紫外激光直接寫入法在單模光纖的纖芯內(nèi)形成的空間相位光柵，其實質(zhì)是在纖芯內(nèi)形成一個窄帶的濾光器或反射鏡。
         2、光纖光柵是被刻在纖芯的兩端，當(dāng)激活離子發(fā)射出一連續(xù)寬帶光傳輸?shù)焦鈻艜r，它會有選擇地反射回相應(yīng)的一個窄帶光（如1064nm），并沿原傳輸光纖返回振動；其余雜光則直接透射或發(fā)射到光纖外濾掉。  
        3、光纖光柵是在纖芯本身上刻錄的，與光纖連成一體高度融合，不占任何額外體積，無任何插損，不怕任何振動和雜物的侵入。
        4、光纖光柵起著激光選頻、反饋和放大的功能，從而巧妙地取代了鏡片式傳統(tǒng)光學(xué)諧振腔，從根本上解決了震動、灰塵和潮濕等引起的一系列光路需調(diào)節(jié)的煩瑣問題。 
        5、一般的通訊光纖光柵是溫度敏感的，要承受高功率激光輻射，則必須采用負(fù)膨脹材料封裝光纖光柵，把溫漂系數(shù)控制在0.001nm/oC以下。
 
         泵浦系統(tǒng)-----側(cè)面泵浦：
 
 
        1、采用杈纖直接熔接耦合進行側(cè)泵，一無需任何光學(xué)元件，二可避免損傷光纖端面，三是容易提高泵源的注入。  
        2、新穎的蜈蚣式側(cè)泵方式：光纖兩側(cè)生許多纖杈與LD尾纖直接熔接，從各個不同點進行單個泵浦，可避免強激光單點引起的非線性效應(yīng)和模式惡化。 
        3、采用多個高功率LD單管代替LD集成陣列作泵浦源，一可提高光源的模式，二是易于泵源的散熱提高壽命，三有利于維修更換。  
        4、采用發(fā)光面很寬的LD（100-250us）作為泵源可大大降低LD發(fā)光點所承受的光功率密度提高其壽命，一般可達100,000小時。
 
        五、脈沖光纖激光器
 
          既然光纖激光器的諧振腔本身就是一段光纖，所以它不能像傳統(tǒng)激光器那樣在諧振腔內(nèi)插入Q開關(guān)來實現(xiàn)脈沖輸出，因為把光纖諧振腔（就是光纖）攔腰截斷插入Q晶體，一會增大插入損耗，二會影響整個激光器的緊湊性而無法實現(xiàn)光纖一體化。所以如何實現(xiàn)光纖激光器的脈沖輸出又是一個全新的研究課題。目前比較成熟的技術(shù)是采用MOPA（主振動功率放大）技術(shù)來實現(xiàn)。
 
 
         MO（Master Oscillator）就是主振動器，它其實就是一個功率（10-20mw）很小的激光器，一般可選用波長合適（如1064nm）的LD。小功率LD很容易通過驅(qū)動電流來直接調(diào)制輸出參數(shù)，如重復(fù)頻率、脈寬、脈沖波形以及功率大小，通過尾纖把光脈沖信號串聯(lián)進PA(Power Amplifier)---光纖功率放大器進行光脈沖放大。光纖放大器一般只用于光纖通訊，它的原理與光纖激光器十分相似，只不過撤掉了光纖兩端的光纖光柵而無法形成激光振動，只起信號放大作用。光纖放大器能嚴(yán)格按照MO耦合近來的種子源光進行原形放大，卻不改變激光波長、重復(fù)頻率、脈寬和脈沖波形。所以脈沖激光器采用MOPA方式，既可得到優(yōu)良的激光特性，又能大大提高輸出激光的亮度。這是傳統(tǒng)方式所無法達到的綜合效果。
 
        從MO出來的光脈沖通過PA放大器時，脈沖的各部位獲得的增益會不同：脈沖前沿的增益按指數(shù)規(guī)律增加，脈沖后部的增益逐漸減少，脈沖后沿增益最小，尤其是如果脈沖信號光很強，或脈寬較寬時，脈沖后沿根本就得不到放大。所以在PA中一般要加上增益平坦器，使得脈沖各部位得到均勻放大（如果入射信號的能量很小或者脈沖很短，整個脈沖可得到均勻放大，而且脈沖形狀保持不變）。 激光脈沖通過放大器之后，其波形的變化與入射信號脈沖的前沿上升速度有著直接的關(guān)系。如果信號光是高斯型脈沖，因脈沖前沿上升比指數(shù)還快，所以經(jīng)過放大后，脈寬可以得到壓縮；如果是指數(shù)型脈沖，形狀和脈寬幾乎都不變化；如果輸入脈沖前沿上升時間比指數(shù)函數(shù)更緩慢，則放大后其脈寬會變寬。一般為了獲得高功率、窄脈寬的激光脈沖，可以在信號進入放大器之前，采用削波技術(shù)切去脈沖的緩慢上升部分，使其脈沖前沿變陡，即能達到壓縮脈寬的目的。
 
         六、中國的高功率光纖激光器
 
        盡管高功率光纖激的在中國的市場容量十分巨大，可是中國目前相關(guān)研究工作都相對滯后，還處在摸索的初級階段，關(guān)鍵部件都需進口。同時，雖然上海光機所、長春光機所、清華大學(xué)和南開大學(xué)在該領(lǐng)域取得了階段性的實驗成果，但是多沿襲了傳統(tǒng)激光理論，離國際先進水平相差甚遠，更談不上短期內(nèi)實現(xiàn)商業(yè)化。而且都停留在連續(xù)光纖激光器方面，至于應(yīng)用更為廣泛的高功率脈沖光纖激光器至今尚無任何實質(zhì)性進展。
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