高功率光纖激光器關(guān)鍵技術(shù)及最新進(jìn)展
光纖激光器具有眾多令人矚目的優(yōu)點(diǎn)，如其波導(dǎo)結(jié)構(gòu)與傳輸光纖相同，易于與傳輸光纖集成和耦合；基質(zhì)材料具有很好的散熱特性和熱穩(wěn)定性；與傳統(tǒng)固體激光器相比，光纖激光器損耗小、閾值低、效率高，容易實(shí)現(xiàn)小巧、緊湊的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，因此光纖激光器在光纖通信、傳感、工業(yè)加工、國防和軍事等領(lǐng)域被廣泛應(yīng)用。
近年來，光纖激光器輸出功率快速增長(zhǎng)，高功率光纖激光器各項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)的研究都取得了較大突破，增益光纖有了多種新型結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的摻雜光纖(如雙包層光纖、光子晶體光纖等)；泵浦耦合技術(shù)實(shí)現(xiàn)了端面、側(cè)面泵浦等多種耦合方式；激光模式控制技術(shù)解決了高功率光纖激光器光束質(zhì)量和輸出功率之間的矛盾；光纖激光器光束合成技術(shù)的研究也取得了較多成果。以下將綜述光纖激光器關(guān)鍵技術(shù)的研究和發(fā)展情況。
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 稀土摻雜雙包層石英光纖
稀土摻雜雙包層石英光纖技術(shù)最早由美國寶麗來公司和英國南安普敦大學(xué)于20 世紀(jì)80 年代末期提出。它有效解決了光纖激光器中泵浦光功率與增益光纖之間的耦合效率問題，顯著提高光纖激光器輸出功率。稀土摻雜雙包層石英光纖的研制技術(shù)因此成為了高功率光纖激光器的關(guān)鍵技術(shù)之一。雙包層光纖由纖芯、內(nèi)包層、外包層和保護(hù)層構(gòu)成，如圖1所示。它比普通單模光纖增加了1個(gè)內(nèi)包層作為多模泵浦光的傳輸波導(dǎo)，泵浦光在內(nèi)包層中傳輸時(shí)不斷穿越纖芯而被其中的稀土離子吸收，并產(chǎn)生單模激光由纖芯波導(dǎo)輸出。
為了使內(nèi)包層中傳輸?shù)谋闷止飧啻蔚卮┰綋接邢⊥岭x子的纖芯，增加泵浦長(zhǎng)度，提高泵浦效率，研究人員提出了不同形狀的內(nèi)包層結(jié)構(gòu)。圓形結(jié)構(gòu)由于不需要額外加工，制造工藝簡(jiǎn)單，容易實(shí)現(xiàn)與帶尾纖的泵浦光源耦合，是最先研制和使用的內(nèi)包層結(jié)構(gòu)。但完美的圓形對(duì)稱造成內(nèi)包層中存在大量的螺旋光，這部分泵浦光不經(jīng)過纖芯，不被稀土離子吸收，大大降低了泵浦光的利用率。后來，又逐漸研制出不同形狀的內(nèi)包層，如偏芯圓形、矩形、正方形、D 形、梅花形、六邊形、八角形等。理論表明，矩形和D 形內(nèi)包層結(jié)構(gòu)具有很高的泵浦光利用率。同時(shí)，為了高效地把泵浦光功率耦合進(jìn)增益光纖中，內(nèi)包層的直徑和數(shù)值孔徑還應(yīng)該足夠大。
雖然雙包層光纖激光器的輸出功率有了較大提高，但由于其纖芯仍屬于傳統(tǒng)單模，纖芯直徑較小、增益大，放大的自發(fā)輻射很容易建立，非線性作用較強(qiáng)，因此很難得到高脈沖能量的脈沖激光輸出。理論表明，光纖激光器產(chǎn)生的脈沖能量是由光纖中的飽和能量Esat決定的：
由公式(1)可知，雙包層光纖的纖芯直徑越大，纖芯中存儲(chǔ)的能量越高，才能從光纖中獲得更高能量的脈沖激光輸出。
但是，隨著纖芯直徑的增大，光纖的V 值增加，纖芯中傳輸?shù)哪Ｊ皆龆?，光纖輸出激光的光束質(zhì)量將變差。為此，研究人員研制出大模場(chǎng)面積的雙包層光纖(LMA)，其具體的參數(shù)為：纖芯直徑20～40，μm，數(shù)值孔徑0.06 左右，內(nèi)包層直徑大于200，μm，數(shù)值孔徑0.4 左右。通過增加纖芯面積，減小了放大的自發(fā)輻射，克服了非線性作用且增大了纖芯的存儲(chǔ)能量；同時(shí)減小纖芯與內(nèi)包層的相對(duì)折射率差來降低纖芯的數(shù)值孔徑，以維持輻射激光的近似單模傳輸，從而在光纖中實(shí)現(xiàn)高脈沖能量和高光束質(zhì)量的激光輸出。目前，大模場(chǎng)面積的雙包層光纖已廣泛應(yīng)用于高功率光纖激光器中。
由于受到非線性效應(yīng)和熱效應(yīng)等因素的限制，將多個(gè)高功率光纖激光器的輸出進(jìn)行組束，可以獲得更高功率的激光輸出。為了實(shí)現(xiàn)激光功率的相干合成，有報(bào)道采用非保偏光纖實(shí)現(xiàn)保偏工作，但采用保偏的大模場(chǎng)面積雙包層光纖無疑是高功率光纖激光器實(shí)現(xiàn)線偏振輸出的最理想方案。隨著軍事和工業(yè)領(lǐng)域?qū)敵龉β食^100，kW(連續(xù))的需求不斷增多，對(duì)于保偏的大模場(chǎng)面積雙包層光纖的需求也呈現(xiàn)不斷上升態(tài)勢(shì)。保偏光纖技術(shù)主要利用應(yīng)力區(qū)、摻雜纖芯、包層的熱膨脹系數(shù)之間的差異來產(chǎn)生雙折射特性，根據(jù)應(yīng)力區(qū)的形狀，保偏雙包層光纖主要有領(lǐng)結(jié)型和熊貓型兩種結(jié)構(gòu)。Kliner 等人首先報(bào)道了采用領(lǐng)結(jié)型保偏光纖制作出保偏摻鐿雙包層光纖放大器，但由于領(lǐng)結(jié)型保偏雙包層光纖生產(chǎn)工藝復(fù)雜，穩(wěn)定性和一致性差，其雙折射特性沒有熊貓型保偏雙包層光纖好，因此在高功率光纖激光器和放大器中采用的主要是熊貓型保偏光纖。
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(Photonic Crystal Fiber，PCF)的概念最早由Russell.ST.J 等人于1992 年提出。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(Holey Fiber)或微結(jié)構(gòu)光纖(Micro-Structured Fiber)。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。
根據(jù)不同的導(dǎo)光原理，PCF 光纖分為兩種，即基于光的全反射原理(Total Internal Reflection，TIR)導(dǎo)光的TIR-PCF，基于光子禁帶效應(yīng)(Photonic Bang-Gap，PBG)導(dǎo)光的PBGPCF。PBG-PCF 利用包層的光子禁帶效應(yīng)，將導(dǎo)波限制在光纖的空氣纖芯中傳輸。而TIR-PCF 具有一個(gè)高折射率的纖芯，空孔的折射率大體上為1，因此在引入空孔的光纖包層區(qū)域折射率實(shí)際上被降低，其有效折射率比纖芯折射率更低，那么通過與傳統(tǒng)光纖相同的全內(nèi)反射就可以將光約束起來。在空孔的排列呈周期性的情況下，這種光纖被稱為全內(nèi)反射型PCF。TIR-PCF 制作工藝相對(duì)簡(jiǎn)單，通過一定的摻雜技術(shù)可以做成有源的光子晶體光纖，所以目前稀土摻雜的PCF 都采用這種類型。和稀土摻雜雙包層石英光纖相同，稀土摻雜PCF也可以設(shè)計(jì)雙包層光纖結(jié)構(gòu)(見圖2)，這對(duì)于高功率光纖激光器的研制具有重要意義。
在稀土摻雜雙包層石英光纖的MCVD 工藝中，只能通過纖芯直徑和數(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)問題，一是纖芯直徑的增加受到工藝和其他參數(shù)(如數(shù)值孔徑、光纖損耗)的限制不能自由設(shè)計(jì)；二是纖芯和內(nèi)包層的折射率差不能精確控制。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。
為了提高泵浦光的耦合效率，稀土摻雜雙包層PCF 的內(nèi)包層數(shù)值孔徑需要盡可能高。采用低折射率涂料做石英光纖外包層，可以將數(shù)值孔徑提高到1.46～1.48，而這也是該工藝的極限水平。稀土摻雜雙包層PCF 則很容易突破這個(gè)極限，提高內(nèi)包層的空氣填充比例，增大光纖內(nèi)包層和纖芯的相對(duì)折射率差可增大光纖內(nèi)包層的數(shù)值孔徑，可以高達(dá)0.9。目前內(nèi)包層數(shù)值孔徑為0.8 的摻鐿雙包層PCF已見諸報(bào)道。
具有保偏特性的稀土摻雜雙包層PCF 是另一個(gè)值得關(guān)注的發(fā)展方向，通過改變x、y 軸靠近纖芯附近的空氣孔的直徑，可以引起兩個(gè)正交軸上有效折射率的差異，從而在光纖內(nèi)引入雙折射，可比普通保偏光纖大一個(gè)數(shù)量級(jí)，達(dá)10^3量級(jí)。
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)將泵浦光聚焦到雙包層光纖內(nèi)包層端面處，直接耦合到雙包層光纖中，這種技術(shù)最大的特點(diǎn)在于結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，易于實(shí)現(xiàn)，因此端泵浦技術(shù)在包層泵浦技術(shù)發(fā)展的初期被處于科技前沿的國內(nèi)外研究者廣泛采用。根據(jù)泵浦光和接受雙包層光纖兩者的數(shù)值孔徑和光斑大小，設(shè)計(jì)合適的透鏡組將泵浦光耦合進(jìn)雙包層光纖，在泵浦光功率較高時(shí)，這種方法因受光面積所限，光纖端面處的光密度極高，故易造成光纖端面損傷；另一大缺陷在于，相對(duì)于耦合光斑來說，光纖端面接受面積太小，以至于稍微的位置偏移都會(huì)引起耦合效率的急遽下降。于是全光纖連接方案受到研究者的注意，錐形光纖耦合技術(shù)是最初考慮的途徑之一，如圖3 所示。
錐形光纖耦合方式是一種改進(jìn)的端泵浦耦合方式，主要依靠錐形光纖將尾纖輸出的大模場(chǎng)直徑光斑壓縮進(jìn)橫截面相對(duì)較小的雙包層光纖中。這種方式耦合效率高于普通的端泵耦合方式，只是不能實(shí)現(xiàn)環(huán)形激光腔結(jié)構(gòu)及激光放大器，且不適用于多個(gè)高能激光泵源的同時(shí)泵浦。為了實(shí)現(xiàn)多個(gè)泵浦源的同時(shí)泵浦，研究者對(duì)錐形光纖耦合技術(shù)稍作改進(jìn)，發(fā)展了光纖合束器耦合技術(shù)。如圖4 所示，這種耦合技術(shù)將多根多模光纖組成的光纖束逐漸收縮為單根與雙包層光纖尺寸相匹配的多模光纖，再與雙包層光纖連接。該技術(shù)適用于多個(gè)帶尾纖的大功率LD 同時(shí)泵浦。它可以將光纖束中心的一根多模光纖替換為適于信號(hào)光傳輸?shù)膯文９饫w與雙包層光纖纖芯熔接，這樣泵光可以從多模光纖耦合到摻雜光纖內(nèi)包層中，而信號(hào)光可以從中心的單模光纖耦合到纖芯中，從而解決了錐形光纖無法實(shí)現(xiàn)環(huán)形腔結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的弊端，并且使得多路泵浦成為可能。
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及外包層剝除后，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)包層。這種耦合方式使雙包層光纖兩端自由，易于實(shí)現(xiàn)各種靈巧的激光腔結(jié)構(gòu)，而且泵浦位置可自由選擇，便于實(shí)現(xiàn)雙向泵浦及多點(diǎn)陣列式泵浦，以獲得更大的輸出光功率。
到目前為止，側(cè)面耦合技術(shù)主要有內(nèi)包層“V”型槽耦合技術(shù)、內(nèi)包層內(nèi)嵌反射鏡耦合技術(shù)、斜角光纖耦合技術(shù)(包括側(cè)面熔接、膠合兩種途徑)、棱鏡耦合技術(shù)以及光纖盤耦合技術(shù)等形式。根據(jù)技術(shù)原理劃分，內(nèi)包層“V”型槽耦合技術(shù)和內(nèi)包層內(nèi)嵌反射鏡耦合技術(shù)的原理基本類似，分別是利用V 形槽斜面處和內(nèi)嵌的反射鏡的全內(nèi)反射實(shí)現(xiàn)泵浦光與雙包層光纖內(nèi)包層間的耦合，該技術(shù)對(duì)工藝要求較高，而且不能實(shí)現(xiàn)多點(diǎn)分布式泵浦。而斜角光纖耦合技術(shù)和棱鏡耦合技術(shù)剛好解決了多點(diǎn)分布式泵浦的問題。
斜角光纖耦合技術(shù)和棱鏡耦合技術(shù)屬于同一種泵浦原理的耦合技術(shù)，但就工藝難度相比而言，斜角光纖耦合技術(shù)最容易實(shí)現(xiàn)。根據(jù)有關(guān)理論分析，斜角光纖的耦合效率與端面斜角有關(guān)，最大耦合效率時(shí)存在唯一一個(gè)最佳角度，該最大耦合效率值與光纖參數(shù)有關(guān)。另外，斜角光纖耦合技術(shù)對(duì)于非尾纖輸出的條狀半導(dǎo)體激光器泵浦光的耦合特別有效，將數(shù)根矩形光纖或玻璃絲排列成光纖排，前端面與條狀LD 輸出面通過微柱透鏡耦合(見圖5)，后端的光纖或玻璃絲各自獨(dú)立，每根末端均磨成斜角，分別在雙包層光纖內(nèi)包層側(cè)面的不同位置耦合，適用于多點(diǎn)泵浦。
利用二元衍射光柵進(jìn)行側(cè)面耦合，也是一種可以實(shí)現(xiàn)側(cè)面、分布式多點(diǎn)泵浦的耦合技術(shù)。該技術(shù)將衍射光柵放置在光纖內(nèi)包層的表面，不會(huì)損害光纖的外表面，對(duì)TM 偏振入射光具有高達(dá)94%，的耦合效率。由于這種方法使用了折射率匹配液，所以不能承受大功率的泵浦光。張帆等人提出一種基于亞波長(zhǎng)衍射光柵理論的介質(zhì)-金屬-介質(zhì)的對(duì)稱夾層結(jié)構(gòu)，這種結(jié)構(gòu)因?yàn)闆]有使用諸如折射率匹配液、光學(xué)固化膠等承受不了較高溫度的黏接物質(zhì)，所以可以用于大功率激光二極管陣列的側(cè)面泵浦，其耦合效率可以達(dá)到80%以上。
1.3 模式控制技術(shù)
為了提高光纖激光器的輸出功率，擴(kuò)大摻雜光纖的纖芯直徑解決了功率提高帶來的光纖損傷和非線性問題，但光束質(zhì)量下降。大模場(chǎng)面積光纖設(shè)計(jì)能在較大程度上降低光纖內(nèi)激光模式的數(shù)量，但只是部分解決了光纖功率和光束質(zhì)量之間的矛盾。要獲得高功率的基模光束輸出，必須進(jìn)行模式選擇。
2000 年，Koplow 等人報(bào)道了一個(gè)多模雙包層光纖環(huán)獲得的單橫模激光輸出。他們采用的摻鐿雙包層光纖纖芯直徑為25μm，纖芯數(shù)值孔徑0.1，在波長(zhǎng)1064nm 處的V 值為7.4。在光纖不繞環(huán)之前，激光器多模輸出；經(jīng)過光纖繞環(huán)后，除基模之外的其他模式損耗明顯增大，以LP11模為例，如圖6所示：纖芯直徑在50～100μm(V 值為12～24)，光纖內(nèi)LP11模的彎曲損耗比基模LP01的彎曲損耗至少大幾個(gè)dB，特別是在基模LP01的彎曲損耗為3dB 時(shí)，兩者之差達(dá)到10dB 以上。最后激光器光束輸出質(zhì)量因子M2 達(dá)到1.09，研究結(jié)果證明光纖環(huán)的模式選擇作用非常有效。
采用光纖錐是另外一種可行的模式控制技術(shù)。通過采用光纖錐，多模纖芯也可以實(shí)現(xiàn)單模運(yùn)行。這種光纖錐一般滿足兩個(gè)條件：①LP01 模的插入損耗很??；②其他高階模的插入損耗很大。這樣激光通過光纖錐射出時(shí)，只有基模才能保留。在1999 年CLEO 會(huì)議上，Southampton 大學(xué)論述了他們采用光纖錐模式控制技術(shù)，將激光器光束質(zhì)量因子從原來的2.6 提高到1.4。
1.4 激光合成技術(shù)
1.4.1 激光波長(zhǎng)合成
作為激光合成兩項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)之一，激光波長(zhǎng)合成技術(shù)是激光功率的一種非相干合成。通過將多個(gè)相近激光波長(zhǎng)疊加，在近場(chǎng)或遠(yuǎn)場(chǎng)獲得光場(chǎng)分布的疊加，獲得較好的光束質(zhì)量。在光纖激光器研究的早期，輸出功率普遍較低，因此激光波長(zhǎng)合成技術(shù)受到人們的重視。但是對(duì)于較高功率的光纖激光器，由于激光功率的提高增加了激光器光譜特性的不穩(wěn)定性，造成波長(zhǎng)合成后光束質(zhì)量的下降。為了解決功率和光譜劣化之間的矛盾，提高合成效率，只能在低功率諧振腔內(nèi)獲得需要的多個(gè)穩(wěn)定波長(zhǎng)，在波長(zhǎng)合成之前分別進(jìn)行功率放大，這樣既能獲得穩(wěn)定的波長(zhǎng)輸出，又能獲得需要的功率輸出。有關(guān)研究結(jié)果采用MOPA 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)了上述方案，獲得總6W 的激光功率，合成后光束質(zhì)量與單個(gè)摻鐿光纖激光器光束質(zhì)量一樣，M2為1.14。
1.4.2 激光功率相干合成
激光相干合成技術(shù)是近年來激光合成領(lǐng)域研究的熱點(diǎn)，它的基本思路是將多路激光束經(jīng)相干控制后合成一束光，從而由許多中等功率的激光器獲得高功率的單束激光輸出，同時(shí)保持良好的光束質(zhì)量。假定參與激光功率相干合成的光纖激光器數(shù)目為N，激光功率為P，相干合成后總功率理論上將達(dá)到NP，激光仍然能接近衍射極限輸出。
激光功率相干合成技術(shù)的關(guān)鍵是實(shí)現(xiàn)各路激光的相位鎖定。美國空軍研究實(shí)驗(yàn)室Shay T M等對(duì)5 路百瓦級(jí)光纖放大器進(jìn)行相干合成獲得了725，W 的總功率輸出。Kozlov 等人采用一個(gè)2×2 熔融拉錐光纖耦合器的錐形耦合面，與光纖光柵對(duì)構(gòu)成“三鏡”諧振腔，實(shí)現(xiàn)了激光模場(chǎng)空間分布和波長(zhǎng)的同時(shí)合成。Shirakawa 同樣采用腔內(nèi)光纖耦合器實(shí)現(xiàn)了2 路和4 路光纖激光器的相干合成，效率分別達(dá)到93.6%、95.6%。同樣是腔內(nèi)激光功率的相干合成，Sabourdy 基于Mach-Zehnder 干涉原理，演示了2 路和4 路光纖激光器的相干合成，效率分布達(dá)到99%、95%，同時(shí)實(shí)現(xiàn)了60nm 寬的波長(zhǎng)調(diào)諧輸出；在腔內(nèi)引入一個(gè)聲光調(diào)制器的基礎(chǔ)上，證明了Mach-Zehnder 光纖激光器Q 脈沖相干合成的可行性。
光纖激光器腔外控制的功率合成技術(shù)研究較少，MIT 林肯實(shí)驗(yàn)室將一個(gè)20MW 輸出的光纖激光器分束和相位鎖定，分別放大后在遠(yuǎn)場(chǎng)實(shí)現(xiàn)了相干合成，合成功率達(dá)到10W，合成效率為50%。實(shí)驗(yàn)采用帶寬25GHz、功率20MW 的光纖激光器做種子激光，經(jīng)過起偏和分束后，一個(gè)偏振方向用做參考光束，另外一個(gè)偏振方向平分為兩路光進(jìn)入保偏光纖放大器中分別進(jìn)行功率放大，放大后小部分光與參考光干涉，通過反饋系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)兩路放大光束的相位鎖定，最終實(shí)現(xiàn)兩路光遠(yuǎn)場(chǎng)相干合成。
2 總 結(jié)
近年來，高功率光纖激光器關(guān)鍵技術(shù)的研究取得了巨大進(jìn)展，雙包層增益光纖取代了單包層光纖成為高功率光纖激光器主要增益介質(zhì)，光子晶體光纖則是將來可能應(yīng)用于高功率光纖激光器的另一種介質(zhì)；高效率泵浦耦合技術(shù)是高功率光纖激光器的另外一個(gè)重點(diǎn)，適應(yīng)于不同目的的端面泵浦、側(cè)面泵浦耦合方式高效而且工藝逐漸成熟；光纖繞環(huán)技術(shù)和光纖錐技術(shù)有效地解決了光纖功率和光束質(zhì)量之間的矛盾；激光器波長(zhǎng)合成技術(shù)對(duì)于激光功率和亮度提高的貢獻(xiàn)有限，而相干合成技術(shù)的效率較高，仍然是當(dāng)前國內(nèi)外研究的一個(gè)熱點(diǎn)。
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