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光纤激光器的最新进展及未来发展
作者:  发布时间:2018-11-09  浏览量:22
  光纤激光器具有结构紧凑、坚固耐用、不易失准和易于热管理等优点,通常由激光二极管(LD)泵浦,所用光学元件一般为光纤组件,以光纤熔接的方式耦合。泵浦源可以是单根二极管、一个阵列或者许多分离的二极管,通过光纤输出头和耦合器相连接。掺杂光纤使用光纤内部刻写的光纤布拉格光栅作为腔镜。
  双包层结构
  光纤激光器中光纤一般为双包层结构,如图1所示。未掺杂的内包层选择并传输泵浦光。在纤芯中产生受激辐射。通过泵浦,掺杂了稀土元素的纤芯受激产生激光。非圆柱的内包层结构有六角形、D型、矩形等,降低了泵浦光不向纤芯传播的几率。
  


 
  光纤激光可以端面泵浦或者侧面泵浦,如图2所示。端面泵浦是一束或多束泵浦光耦合到光纤端面中去。侧面泵浦是泵浦光耦合到光纤的一侧,通过耦合器耦合到光纤的内包层中。
  

 
  泵浦耦合的重点在于将泵浦光耦合进入内包层,使它与光纤的吸收相匹配,进入纤芯产生粒子束反转,获得纤芯内的受激辐射。基于光纤内的掺杂以及光纤长度,纤芯具有不同的增益。这是设计所需要的泵浦结构所需要考虑的问题。
  单模光纤中会存在功率限制。单模光纤纤芯具有很小的横截面积,结果可以通过高强度光。在高功率密度时,非线性布里渊散射将变得非常严重,限制kW量级输出功率。如果输出足够高,那么光纤端面将受到损坏。
  光纤激光器的特性
  光纤作为工作介质拥有很长的作用长度,有利于二极管泵浦,也使得光子转换效率很高,为紧凑、坚固的设计提供了条件。当光纤器件都熔接到一起,就不会有分立的器件需要调节。
  有一些特殊结构的光纤激光器。光纤激光器可以实现单通道放大,其可以同时放大不同波长光广泛应用于通信领域。光纤放大也用于MOPA结构,目的是产生更高功率的激光输出。另一个例子是光纤放大自发辐射光源。还有一个例子是拉曼光纤激光器,一些新的研究正使用氟化物玻璃光纤代替传统的石英光纤。
  然而,通常使用石英玻璃来制作光纤。主要的掺杂元素有镱(Yb)和铒(Er)。Yb中心波长在1030~1080nm间,能获得宽波段的激光输出。Yb没有像Nd一样在很高的密度下产生自猝灭效应,即使它们能产生相似波段的激光,Nd被用于传统激光器Yb却被用于光纤激光器。
  掺铒光纤激光器工作波长为1530~1620nm,属于人眼安全波段。可以倍频产生780nm的激光,这是不能以其他方式获得的波段。而且Yb可以与Er一同掺杂,这样Yb吸收泵浦光并传输能量到Er。铥是另外一种掺杂元素能够产生近红外波段(1750~2100nm)的激光,也是一种人眼安全材料。
  高效率
  光纤激光是准三能级系统。光子受激跃迁从基态到较高能级,然后光子再跃迁到亚稳态能级,产生激光。这个过程十分高效:如使用940nm泵源泵浦掺Yb光纤,产生1030nm激光的量子数亏损(损耗能量)仅有9%,如表1所示,而用808nm泵源泵浦Nd离子,量子数亏损约为24%。Er能在1480或980nm波段被泵浦,后者不是那么高效,但更为实用。
  

 
  总的来说激光效率由两个因素决定。第一是泵源的效率。半导体激光器的电-光转换效率在50%左右,在实验室可达到70%或更高。当泵浦光和激光的吸收峰匹配良好,那么得到的就是泵浦效率。第二是光-光转换效率。在小光子缺陷、高激发、高提取效率的情况下,可获得光-光转换效率60%~70%,此时电-光效率25%~35%。
  不同光纤激光器的结构
  连续光纤激光器可以是单模也可以是多模的。单模产生的高质量光束能够应用在材料领域或大气传输,多模工业激光则具有高功率。如果应用并不需要产生很高的功率密度,那么多模的总功率较高将成为优势,例如对于切割和焊接的热处理。
  长脉冲激光被称为准连续激光器,产生ms量级的脉冲,占空比为10%。这使得脉冲光具有比连续光高十倍以上的峰值功率,对于钻孔等应用来说非常有利。根据脉宽可将重复频率调制达500Hz。
  调Q光纤激光器脉冲宽度在ns量级到ms量级之间,光纤越长,输出脉冲越宽。由于纤芯横截面积小,非线性效应明显,限制了峰值功率的提高。可以通过传统Q开关获得高峰值功率,也可以通过将光纤Q开关和端面熔接获得。调Q脉冲可以在光纤或者固体中放大。例如NIF利用光纤作为192路激光的主振荡器,光纤激光器产生的小脉冲被大的掺杂玻璃制成的板条放大为mJ量级。
  在锁模光纤激光器中,重频取决于增益介质的长度,脉宽取决于增益带宽。可以获得的最短脉宽在50fs左右,典型脉宽为100fs。可以通过振荡器-放大系统和外部的啁啾脉冲放大(CPA)以及脉冲压缩产生更短的脉冲。
  具有小纤芯的光子晶体光纤可以得到很强的非线性效应,用于超连续谱的产生等应用。也可以拉制成大单模纤芯以避免高功率下的非线性效应,用于高功率,并将光纤缠绕可消除高阶模。基于非线性效应产生谐波,产生更高频率和更短的波长。也可以使脉冲压缩,产生频率梳。
  

 
  在超连续谱光源中,通过自相位调制,很短的脉冲能产生很宽的连续光谱。例如,在Yb光纤激光器中产生的1050nm、脉宽6ps的脉冲,可以获得从紫外到1600nm的光谱,如图3所示。另一个超连续谱光源工作在红外领域,由1550nm的掺Er光纤激光器泵浦,所获得光谱随着脉冲宽度而改变,可达2200nm。
  高功率光纤激光器
  作为光纤激光器最大的市场,工业界现在最大的兴趣就是自动化。使用高强度钢材生产汽车,如何切割钢材是一大难题。在钢材上钻孔很困难,然而光纤激光器却可以轻松做到。对于材料加工,光纤激光器具有其他激光器所不具备的优势。例如金属对于光纤激光器的近红外波长激光吸收良好。光束被光纤传输使得机器手可以轻松移动光束的焦点,方便切割和钻孔。
  光纤激光器可满足极端功率需求。美国海军海上系统司令部去年测试了海军激光武器系统(LaWS),该系统拥有六路光纤激光器,每一路都能输出5.5kW激光,非相干合成到一路光中通过光束定向器输出,如图4所示。该33kW系统用于射击一架无人机。尽管光束并非单横模,但由于其由标准且简单的元件组成,引起了广泛关注。
  由IPG公司得到的单根光纤所能输出的最高单模功率为10kW。在系统中主振荡器获得了千瓦的激光,耦合到由1018nm激光泵浦的放大器中。整个系统的大小约和两台冰箱一样。多模的最高输出也是由IPG公司获得的,为50kW。该系统基于非相干合成,BPP为10,M2达到了33。
  光纤激光在高功率切割和焊接方面也有其他的应用,如代替了电阻焊在高速钢板上的应用,解决了电阻焊造成的材料变形的问题。
  

 
  混凝土钻孔
  4kW的多模光纤激光器已被用于混凝土切割和钻孔。为什么要用激光切割混凝土呢?因为建造抗震建筑物时,需要谨慎对待混凝土。传统的冲击钻孔会使混凝土裂缝并变得脆弱,而光纤激光器却可以实现无缝切割。
  调Q光纤激光器可用于材料处理,例如激光打标或者半导体电子产品的制造。也可用于激光雷达,一块手掌大小的模块,里面就包含了重频50kHz、峰值功率4kW、脉宽5~15ns的眼安全掺铒光纤激光器。
  小功率的光纤激光器在微米或纳米级制造上的应用正在引起广泛关注。对于表面烧蚀,如果脉宽小于35ps,将不会再有材料飞溅、消融,消除切割中切口和其他瑕疵产生。fs领域对波长不敏感的非线性效应的激光,不会对周围区域产生热效应,使得材料处理不会对周围区域产生损坏或削弱,并且可以使孔有很大的纵横比。
  也可以对透明材料进行表面加工,例如对人眼。在LASIK手术中为了切割角膜基质层,fs脉冲聚焦到人眼附近,对周围不造成伤害的情况下,在一个可控深度下击穿人眼。角膜基质层可以拉起来供准分子激光切削。超短激光在医学上的其他应用包括皮肤学中的浅穿透、OCT技术等。
  fs光纤激光在科学研究中的应用包括激光诱导击穿光谱、时间分辨荧光光谱以及材料研究。也用于产生fs频率梳。近期频率梳的应用是在未来一代GPS卫星上使用的原子钟,使其对地面上的位置分辨率更精确。
  单频光纤激光器可达到线宽小于1kHz,该设备非常小,输出光在掺铒光纤输出带,输出功率在10mW到1W之间。它可用于通信、计量学(如光纤陀螺)和光谱学。
  

 
  光纤激光的未来
  和其他研究一样,光纤激光器仍有很多内容需要继续研究。例如用相干合成或光谱合成的办法,合成光纤激光成为高光束质量的单光束。光纤激光器在工业应用上正在迅速发展,特别是在自动化领域。透过价格和性能这些改进来看,更实用的飞秒和超连续谱源会出现。光纤激光器正在推进超越自身的市场,已经进军其他市场,它也是推进其他激光器变得更好的动力。
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