光纖激光器的歷史和激光器本身的歷史幾乎一樣長。但是由于增益光纖和泵浦光源等技術(shù)上的限制，商用光纖激光器直到20世紀(jì)末才出現(xiàn)。20世紀(jì)70年代以來，隨著光纖制備技術(shù)以及諧振腔結(jié)構(gòu)的改進(jìn)，光纖激光器有了很大的發(fā)展，特別是80年代中期英國南安普頓摻Er 3+光纖的突破，光纖激光器的實(shí)用化成為可能，并顯示出十分誘人的應(yīng)用前景，受到人們的廣泛重視。90年代開始出現(xiàn)了雙包層摻雜光纖激光器的研究。20世紀(jì)末寶利來公司的研究人員采用包層泵浦技術(shù)，在實(shí)驗(yàn)室獲得了100 W的激光輸出，使得光纖激光器的實(shí)用化進(jìn)入實(shí)際階段。2001年，SDL公司推出了第l 臺商用的拉曼光纖激光器，采用Yb包層泵浦激光器泵浦光柵式級聯(lián)拉曼激光器的結(jié)構(gòu)，根據(jù)這種結(jié)構(gòu)可方便地設(shè)計(jì)出適合輸出1．30μm、1．45μm的諧振腔結(jié)構(gòu)。IPG光子公司采用類似的結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)了l200～l600 nm波段可選擇任意波長的激光輸出，輸出功率達(dá)到了lO W。DIANOVE．M．等人用摻有P205的光纖實(shí)現(xiàn)l240 nm、l480 nm處的激光輸出。2003年6月，美國IPG公司在德國激光展演示了一臺1．1μm，連續(xù)輸出10 kW的光纖激光器引起了業(yè)內(nèi)的震撼！

　　日前光纖激光器研究與開發(fā)主要集中在大功率雙包層光纖激光器技術(shù)上。用雙包層光纖實(shí)現(xiàn)大功率激光輸出技術(shù)最初于1988年提出。高功率雙包層光纖激光器呈現(xiàn)出以下發(fā)展趨勢：
(1)單根光纖輸出功率從百瓦級向千瓦級發(fā)展，目前單根光纖激光僅在實(shí)驗(yàn)室實(shí)現(xiàn)了千瓦級功率輸出，并且不是單橫模；
( 2)從高功率連續(xù)光纖激光向高功率脈沖光纖激光器發(fā)展，從應(yīng)用目標(biāo)出發(fā)時(shí)，連續(xù)工作的光纖激光能提供的靶面功率密度較低，脈沖工作的光纖激光將會更為有用；
(3)從常規(guī)的光纖激光組束技術(shù)向相干組束技術(shù)發(fā)展。

1雙包層光纖
雙包層光纖( DCF) 是高功率光纖激光器的關(guān)鍵部件，其結(jié)構(gòu)如圖一 所示。雙包層光纖的基本結(jié)構(gòu)包括直徑為l O～100μm的摻雜纖芯，以及直徑125～l000μm、數(shù)值孔徑約為0．45的內(nèi)包層。設(shè)計(jì)雙包層光纖取決于要求的功率和光束質(zhì)量。多模泵浦光被耦合進(jìn)內(nèi)包層，在其內(nèi)傳輸2～8 m，并不斷被摻雜纖芯吸收。雙包層光纖可以通過兩端同時(shí)泵浦來提高可用泵浦功率。激光諧振腔由外部光學(xué)系統(tǒng)或用紫外激光在光纖芯層寫入光纖布拉格光柵(FBG)構(gòu)成。纖芯可以摻雜多種不同稀士元素，對應(yīng)不同的激射波長。鐿元素是可選摻雜物，因?yàn)樗袑捨諑Ш妥罡吖饽芰哭D(zhuǎn)換效率為80％。
 
1．1光纖功率限制因素
由于很多因素限制，目前單模光纖激光器光功率限制在1 kW左右，這些限制光纖功率的因素主要有：
(1)光學(xué)非線性效應(yīng)，包括受激布里淵散射，受激拉曼散射和自相位調(diào)制；
(2)放大自發(fā)輻射，它和激射波長競爭存貯能最，限制最大粒子數(shù)反轉(zhuǎn)和最終出射能量：
(3) 光纖的熱破裂極限大約為100 Wcm-1。在不超過熱破裂極限時(shí)，如果一在段10 m長光纖上能量消耗為15 Wm-1，一個(gè)1 kW光纖激光器會消耗<15％的泵浦吸收能量，或者說每千瓦消耗150 w的熱量；
(4) 在l 060 m處如果最大功率大于l Mw，10 μm芯徑的摻鐿光纖中脈沖激發(fā)的塊損壞閾值大于60 GWcm-2，連續(xù)和表面損壞閾值相當(dāng)?shù)图s為1 Wcm-2。脈沖長度小于100 ns 時(shí)，自聚焦閾值約為4Mw，必須考慮。
增加模場直徑、加大基模增益、插入空間濾波器、增加高階模損耗、減少光纖長度、采用光子晶體或多孔光纖等都可以增加光纖最大輸出功率，使單根光纖功率達(dá)到2 kW。但獲得高功率激光的最有效方法還是利用多束光纖組合輸出。IPG公司將多束250～400 W瞥模光纖合束，獲得輸出為10 kW的高功率光纖激光系統(tǒng)。簡單的光纖合束固然可以獲得高功率輸出，但是輸出光束是多模的，在一些應(yīng)用場合效果并不是很好。

 

1．2光纖壽命
雖然雙包層光纖在1 kw量級時(shí)是易于處理的，但仍有很多問題影響雙包層光纖的可靠性和壽命。例如，由于氟化聚合物包層的受損引起泵浦光衰減。氟化聚合物包層既作為泵浦波導(dǎo)又用為光纖的保護(hù)膜。其破壞機(jī)理如下：水和玻璃表面作用引起表面形成氫氧根群，在945nm處其吸收也隨之增加。通過控制相對濕度保持光纖溫度低于40℃時(shí)，在lO年內(nèi)損耗可以小于5％。這個(gè)溫度要求在泵浦功率達(dá)到約3 kW時(shí)，光纖要水制冷，而在多根光纖打捆時(shí)只需空氣制冷即可。又如，摻鍺和摻銩光纖置于高功率脈沖激光器中，由于多光子效應(yīng)會引起明顯變黑。而摻鐿光纖置于大于60 GW•cm-2(1060nm處脈沖)的激光中時(shí)，在5天內(nèi)光纖的吸收不會產(chǎn)生變化 。
 
2 高功率泵浦激光二極管#p#分頁標(biāo)題#e#
高功率泵浦激光二極管有3種類型：
( 1)單管芯激光二極管激光二極管芯片發(fā)光面尺寸約1μm×500μm，輸出光功率可以達(dá)到5 W，一半采用TO封裝，利用半導(dǎo)體冷器(TEC) 制冷。目前單管激光二極管售價(jià)為70～100美元／W。
( 2) 條狀激光二極管陣列由50個(gè)左右的單管芯片(間隔約150μm寬) 組成激光條，每個(gè)激光條可以輸出大于60 w的功率。激光條置于空氣制冷或水制冷的熱沉上。售價(jià)也是為70～100美元／W。
(3)疊層狀激光二極管陣列通過堆疊約20個(gè)激光條構(gòu)成?？奢敵龈哌_(dá)l200 w的連續(xù)激光。在這種結(jié)構(gòu)中散熱是主要問題，一般采用微通道制冷設(shè)計(jì)，使水在層疊的激光條之間的微小通道中流動。
在設(shè)計(jì)高功率光纖激光器時(shí)，泵浦激光二極管和光纖一樣重要。最初的設(shè)計(jì)要求采用單橫模激光二極管。但是現(xiàn)在雙包層光纖的出現(xiàn)已經(jīng)改變了這一要求。激光二極管的電光轉(zhuǎn)換效率已經(jīng)提高到接近50％，激光條疊層的功率量級也超過l kw。為制備具有競爭力的1 kw量級的光纖激光器，需要有可提供2.5～3 kw的功率的費(fèi)用低廉的泵浦。除了激光條疊層器件很難有其他器件可提供這樣量級的激光功率。而且，為與現(xiàn)存Nd：YAG和CO2激光器競爭，激光二極管價(jià)格必須降至每瓦50美元以下，并在不遠(yuǎn)的將來接近每瓦12美元。這樣的價(jià)格在激光二極管規(guī)模生產(chǎn)時(shí)是可以實(shí)現(xiàn)的。有很多生產(chǎn)商如LIMO，美國的nLight ，德國DiLAS和Trumpf 等可以提供輸出功率達(dá)1．2 kw的激光二極管，壽命為10 000 h。到2008年，激光二極管輸出功率量級可達(dá)二三千瓦同時(shí)壽命可達(dá)20 000 h。

3 浦激光耦合
二極管激光條／激光條疊層到雙包層光纖的耦合是增加光纖激光器輸出功率和降低激光器成本的關(guān)鍵之一。通常，通過改善激光二極管的光束質(zhì)量或者通過光束轉(zhuǎn)換可以提高耦合效率。光束質(zhì)量是光束能夠會聚的緊湊程度的度量。有多種參數(shù)描述這種會聚特性，最常用的是光束參數(shù)積BPP，它定義為光束束腰半徑，即W0，和光束遠(yuǎn)場發(fā)散角半角Q0的積。在無像差的光學(xué)系統(tǒng)中，任何光束的這個(gè)量足個(gè)定值。
 
根據(jù)雙包層光纖的內(nèi)包層參數(shù)要求，二極管激光條／激光條疊層輸出光應(yīng)聚焦成直徑為400～1 000μm、數(shù)值孔徑NA約0．45的光束。這要求二極管激光器的BPP=100～259 mm mrad。SPI宣布將已制成的400W輸出功率耦合到直徑為400 μm的雙包層光纖。如果泵浦發(fā)射功率達(dá)到2．5 kw，它可以耦合到直徑為l mm的雙包層光纖，相應(yīng)光纖激光器的輸出功率約為l kw。英國南安普敦大學(xué)光電子學(xué)研究中心于2004年6月也報(bào)道了一個(gè)摻鐿大芯徑( 43μm) 的8 m長的在l 090 nm處連續(xù)輸出1．Ol kw的光纖激光器。

4 光纖激光器相干合束
對不相干光源而言，總功率強(qiáng)度是由單個(gè)光源功率強(qiáng)度乘以光源個(gè)數(shù)和填充因子F，也就是說，所有單個(gè)光源功率之和乘以填充因子。在同相位相下光源的情況下，總功率強(qiáng)度則是各振幅相加然后平方，和不相干光源的情況相比，聚焦的模場半徑減小了因子M，而其他參數(shù)相同。要實(shí)現(xiàn)相干合束并不容易。因?yàn)閱蝹€(gè)光源的相位必須被動態(tài)地監(jiān)控和調(diào)節(jié)。美國諾斯羅普•格魯曼(NOC)公司為軍隊(duì)設(shè)計(jì)了一個(gè)相干合束光纖激光器系統(tǒng)的原型，這里價(jià)格相對于性能是排在其后的。這個(gè)系統(tǒng)基于由美國Nufem公司生產(chǎn)的摻鐿大模場面積偏正保持光纖，每個(gè)臂的斜度效率為77％，輸出功率達(dá)150 w。每個(gè)臂的相位通過鈮酸鋰波導(dǎo)相位調(diào)整器控制。原則上系統(tǒng)可以升級到足夠高的功率從而取代化學(xué)激光器作軍事應(yīng)用——導(dǎo)彈防護(hù)，目標(biāo)照明和襲擊地面目標(biāo)。然而這種結(jié)構(gòu)不太可能用于商用系統(tǒng)，因?yàn)樗鼜?fù)雜而且費(fèi)用昂貴，但是它對光纖激光器和激光二極管相干陣列器件技術(shù)的發(fā)展是一個(gè)很好的驅(qū)動，是它們可以借鑒的技術(shù)儲備源。#p#分頁標(biāo)題#e#

5 光纖激光器設(shè)計(jì)
工業(yè)激光器可分為基本兩類：連續(xù)和脈沖。脈沖激光器在鉆孔和切割時(shí)在減少熱損壞一熱影響區(qū)(HAZ)一( 當(dāng)脈沖寬度與材料中熱擴(kuò)散時(shí)間相比很小時(shí)，大部分熱量會消散) 上很有用。在敲擊切割時(shí)它是材料的切除刀。而對于光纖激光器，光纖可作為一個(gè)由連續(xù)或脈沖也即準(zhǔn)連續(xù)(QCW) 激光二極管泵浦的激光振蕩器或放大器。在準(zhǔn)連續(xù)( QCW) 時(shí)，可達(dá)毫秒量級的泵浦脈沖寬度，無須采用振蕩器/放大器結(jié)構(gòu)。

 

5．1 連續(xù)(CW)/長脈沖（-1ms) 光纖激光器
    如圖二所示，連續(xù)光纖激光器的設(shè)計(jì)相對比較簡單，它可由不同廠商提供的現(xiàn)存元件裝配制作，輸出功率至少可以達(dá)到lO～20 w。二極管泵浦組件可以由單發(fā)射器、激光條甚至是疊層器件，它被熔接到光纖激光器組件集合。光到光的轉(zhuǎn)換效率達(dá)到80％，是激光二極管泵浦棒設(shè)計(jì)的轉(zhuǎn)換效率的兩倍多，而且可以升級至l kW。為達(dá)到脈沖工作，連續(xù)泵浦激光二極管由脈沖激光二極管取代，或者由和連續(xù)二極管激光器平均功率相同，但是可以產(chǎn)生峰值功率2～4倍于平均連續(xù)功率，脈寬小于1 ms的準(zhǔn)連續(xù)(QCW) 激光二極管取代(SPI供應(yīng)一種平均功率l00 w的器件，其峰值功率為400 W，占空因子為25％) 。

5．2 脈沖光纖激光器——種子激光振蕩放大（MOPA)
    為滿足大多數(shù)軍事和宇航應(yīng)用，需要納米量級(10～100ns )的短脈沖，必須用光纖作為放大器連到主諧振腔上。諧振腔被直接調(diào)制或基于聲光器件進(jìn)行Q-開關(guān)調(diào)制，以保證在脈沖重復(fù)頻率20～50 kHz的1～500 ns的脈沖中有約1～l00 mJ的脈沖能量，這樣可得高達(dá)100 W的平均功率。脈沖激光器設(shè)計(jì)比連續(xù)激光器復(fù)雜得多，費(fèi)用也高得多。

6 應(yīng)用
高功率光纖激光器可能的應(yīng)用包括：激光焊接(小于l mm的窄區(qū)) 、熱處理、激光燒結(jié)、覆層塑料熱合( 焊接)、軟焊涂料剝除、連續(xù)縫焊激光成型、環(huán)氧固化自由形態(tài)加工、點(diǎn)焊醫(yī)學(xué)應(yīng)用、激光二極管泵浦應(yīng)用激光照明以及表面溶解混合成型等。最可能的應(yīng)用是在大尺寸制造領(lǐng)域，目前還沒有發(fā)揮很大的作用。其中一些領(lǐng)域被看作是有發(fā)展?jié)摿Φ念I(lǐng)域，包括：汽車、采暖通風(fēng)與空調(diào)( HVAC) 、導(dǎo)管制造業(yè)、大型金屬結(jié)構(gòu)等。光纖激光器有多種軍事應(yīng)用。例如用于目標(biāo)捕獲的激光指示器( 單脈沖能量大于l00 mJ ) 、激光測距儀(單脈沖能量大于l00 mJ，脈寬小于lOns) 以及功率大于100 kW( 目標(biāo)是1 Mw) 的激光武器。得到美國國防部高級研究計(jì)劃署( DARPA) 資助的美國諾斯羅普•格魯曼( NOC) 公司以及SPI 和IPG公司利用多光束相干合束技術(shù)研究高功率光纖激光器，為機(jī)載和艦載應(yīng)用開發(fā)高于l00 kW的光纖激光武器。
 
7 光纖激光器的優(yōu)越性
光纖激光器成為研究熱點(diǎn)和應(yīng)用寵兒當(dāng)然是由于它具有多種優(yōu)越性能。
( 1 )它具有高的光束質(zhì)量，可以輕易接近衍射極限，M2 常?？梢越咏?。
由于光束產(chǎn)生限制在細(xì)小的纖芯中，事實(shí)上這意味著它非常直，并且能被聚焦成極小的點(diǎn)，因而在打標(biāo)、切割等應(yīng)用中效率極高。
( 2 )它能達(dá)到非常高的功率和功率密度。
光纖激光器的功率還在不停地被提高。前面已經(jīng)指出，現(xiàn)在已經(jīng)制造了單纖功率超過1 kW 的光纖激光器，可以期待不用太久就會出現(xiàn)單纖功率達(dá)到10 kW 的光纖激光器。而光纖束集成的光纖激光器現(xiàn)在已經(jīng)有50 kW 的產(chǎn)品在銷售， 可以預(yù)計(jì)，光輸出功率再提高10 倍到500 kW 也是可能的。由于其在高功率的同時(shí)具有很好的光束質(zhì)量， 所以可以獲得非常高的功率密度。
( 3 )它非常高效并且容易冷卻。
光纖激光器一般可將70% ～80%的進(jìn)入光纖的泵浦能量轉(zhuǎn)換為輸出激光。這可以更好地節(jié)能， 同時(shí)這也意味著光纖激光器只有很少能量被轉(zhuǎn)化為熱。所以即使千瓦級的光纖激光器也只需簡單可靠的風(fēng)冷就足夠了。同時(shí)，細(xì)長的光纖具有很高的表面積/體積比，產(chǎn)生的熱量沿著光纖長度分布，這樣散熱很快，損耗小，因此帶來一個(gè)額外的好處是泵浦閾值功率也相當(dāng)?shù)?如摻Y(jié)b3 + 光纖激光器的泵浦閾值功率可低至10-4W 量級) 。對于四能級系統(tǒng)，泵浦閾值的降低也許不太重要，而對于三能級系統(tǒng)，需要較高的泵浦光強(qiáng)度來達(dá)到閾值，如果采用體材料增益介質(zhì)， 則唯有較大泵浦功率才能激射； 采用光纖結(jié)構(gòu)就可利用很小的泵浦功率來獲得激光輸出。
( 4 )光纖激光器具有極佳的穩(wěn)定性、可靠性。
通常傳輸光束需要借助于光纖的柔繞性質(zhì)將它轉(zhuǎn)移到目的地(如用于內(nèi)臟系統(tǒng)的激光醫(yī)療) 。而激光耦合需要極為精確的調(diào)校。所以常規(guī)激光器對碰撞、震動等非常敏感， 一旦光路失準(zhǔn)， 就會失效。而光纖激光器本身就是光纖結(jié)構(gòu)， 十分便于使用。同時(shí)這種波導(dǎo)結(jié)構(gòu)與標(biāo)準(zhǔn)通信光纖和現(xiàn)有的光纖器件如耦合器、偏振控制器、調(diào)制器和濾波器等完全兼容， 并且具有極小的插入損耗(可做到小于0. 01 dB ) ， 故可以制作出完全由光纖器件組成的全光纖傳輸系統(tǒng)， 不必經(jīng)過光電轉(zhuǎn)換可直接對光信號進(jìn)行放大和處理， 利于實(shí)現(xiàn)超長距離超高速度的信號傳輸。其高度穩(wěn)定性帶來的好處之一就是使用壽命極長(可達(dá)十萬小時(shí)以上) ， 基本上其使用壽命只受限于泵浦半導(dǎo)體激光器， 維護(hù)方便，甚至實(shí)際上是不需要維護(hù)的。#p#分頁標(biāo)題#e#
 

8 光纖激光器的發(fā)展趨勢

　　類似于塊狀介質(zhì)固體激光器， 光纖激光器的研究正朝超快、單頻、超高平均和/或峰值功率、超連續(xù)等極限方向發(fā)展， 另外還需要擴(kuò)展新的激光波段，拓寬激光器的可調(diào)諧范圍，而光纖激光器系統(tǒng)則還需要繼續(xù)小型化、智能化。目前尤以高功率雙包層光纖激光器的研究為焦點(diǎn)。

　　光纖激光器的發(fā)展呈現(xiàn)出以下四大趨勢：

　　( 1 ) 單根光纖激光的連續(xù)波輸出功率從百瓦量級、千瓦量級向萬瓦量級發(fā)展，在保持光束質(zhì)量不變差的前提下大大提升單根光纖激光的輸出功率，將是高功率光纖激光發(fā)展的主要研究內(nèi)容之一。2004 年南安普頓大學(xué)報(bào)道了1. 36 kW 連續(xù)波光纖激光器， 斜率效率為83% ， 光束質(zhì)量因子M2 為1. 4，并預(yù)言通過對摻雜光纖更先進(jìn)的設(shè)計(jì)和采用更高功率的泵浦源， 單根光纖的輸出功率有可能提高到近萬瓦。
( 2 ) 從高功率連續(xù)光纖激光向高平均功率、高峰值功率的脈沖光纖激光器發(fā)展。在許多應(yīng)用中，由于連續(xù)工作的光纖激光能提供的靶面功率密度較低而不能滿足要求， 脈沖工作的光纖激光則能提供更高的功率密度， 從而能滿足需求。雙包層光纖激光器實(shí)現(xiàn)脈沖激光輸出， 大體上有三種方式：
①調(diào)Q 光纖激光器， 一般是通過在腔內(nèi)放置聲光調(diào)Q 元件或熔結(jié)一段常規(guī)光纖， 利用普通光纖中的受激布里淵散射( SBS) 來實(shí)現(xiàn)脈沖激光輸出；
②鎖模光纖激光器，利用光纖中非線性偏振旋轉(zhuǎn)采用環(huán)形腔結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)脈沖鎖模的光纖激光輸出；
③采用基于種子激光振蕩放大(MOPA ) 的脈沖光纖激光器。在此方式中，將高光束質(zhì)量、小功率的激光器作為種子光源， 雙包層光纖作為放大器，容易獲得高平均功率、高脈沖能量的脈沖激光輸出，是目前的研究熱點(diǎn)。根據(jù)所用種子光源的不同，可實(shí)現(xiàn)窄線寬、皮秒和飛秒的脈沖激光的高功率放大系統(tǒng)，能應(yīng)用于各種不同的場合。
光纖激光器的很大一部分應(yīng)用可以使用超快激光，但現(xiàn)有的超快激光器的制造技術(shù)成本太高，系統(tǒng)的尺寸也過于龐大， 這些嚴(yán)重制約了它們的應(yīng)用價(jià)值。因此發(fā)展高功率密度的超快脈沖激光器要特別注意降低它們的成本和減小尺寸。
( 3 ) 從常規(guī)的光纖激光組束技術(shù)向相干組束技術(shù)發(fā)展。將多個(gè)高功率光纖激光器的輸出按常規(guī)方式組束，雖然可以提升總的輸出功率，但光束質(zhì)量變差，亮度提高有限。相干組束技術(shù)則由于光束間的互相耦合， 可以在保持光纖激光器光束質(zhì)量的同時(shí)， 提升總功率。這將是高功率光纖激光器發(fā)展的一個(gè)很有前途的方向。
 
    ( 4 ) 光纖激光的工業(yè)應(yīng)用從低功率的打標(biāo)、雕刻(十瓦、百瓦級) 向更高功率的金屬和陶瓷的切割、焊接等方面發(fā)展(千瓦到萬瓦級) ， 在汽車工業(yè)和船舶工業(yè)中， 結(jié)構(gòu)緊湊、使用方便的高功率光纖激光器具有巨大的市場潛力， 但要成功取代常規(guī)工業(yè)激光器則依賴于它能獲得優(yōu)良的光束質(zhì)量、更低的價(jià)格以及企業(yè)良好的售后服務(wù)。

9 結(jié)論
過去10年光纖激光技術(shù)在輸出功率、光束質(zhì)量和亮度等方面取得了巨大進(jìn)步。因?yàn)楣饫w激光器的高效率會進(jìn)一步降低電功率需求( 有可能減小l ／2)，在工業(yè)制造方面有進(jìn)一步突破，而這些新的制造技術(shù)會引發(fā)更多的目前尚未實(shí)現(xiàn)或等待開發(fā)的新設(shè)計(jì)和加工方法。高功率光纖激光器最終將會成為制造業(yè)的主流設(shè)備之一。