前言：
 
        所謂高功率光纖激光器，是相對於(yu) 光纖通訊中作為(wei) 載波的低功率光纖激光器而言（功率為(wei) mW級），是定位於(yu) 機械加工、激光醫療、汽車製造和軍(jun) 事等行業(ye) 的高強度光源。高功率光纖激光器巧妙地把光纖技術與(yu) 激光原理有機地融為(wei) 一體(ti) ，鑄造了21世紀最先進和最犀利的激光器。即使是在激光技術發達的國家，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fun88官网平台學術和產(chan) 業(ye) 界，引起了尊至院士的深情關(guan) 注!
 

    一、光纖技術
 
        光纖激光器的最大特點就是一根光纖穿到底，整台機器高度實現光纖一體(ti) 化。而那些隻在外部導光部分采用光纖傳(chuan) 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(yi) 上的光纖激光器。
 
        光纖是以SiO2為(wei) 基質材料拉成的玻璃實體(ti) 纖維，主要廣泛應用於(yu) 光纖通訊，其導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(wei) 9-62.5μm)、中間低折射率矽玻璃包層(芯徑一般為(wei) 125μm)和最外部的加強樹脂塗層組成。〈見圖一〉光纖可分為(wei) 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)，隻能傳(chuan) 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(chuan) 多種模式的光，但其模間色散較大，傳(chuan) 輸的光不純。
 

       用於(yu) 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、結構更為(wei) 複雜、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(ge) 內(nei) 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(nei) 聚集大量的光子。實踐證明：橫截麵為(wei) 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用。對於(yu) 脈衝(chong) 光纖激光器而言，一個(ge) 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衝(chong) 能力可以達到20,000W，一根頭發絲(si) 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(nei) 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(hui) 因染色而失去透光能力，更不會(hui) 受熱變形。
   
 

       二、傳(chuan) 統固體(ti) 激光器
 
        激光器說白了就是一個(ge) 波長轉換器---波長短的泵浦光激勵摻雜離子轉換成長波長的光輻射，它一般由3部分組成：工作物質、諧振腔和泵浦係統。由於(yu) 光纖激光器本質上屬於(yu) 固體(ti) 激光器，所以在此僅(jin) 比較一下傳(chuan) 統Nd:YAG激光器的特性。
 
   工作物質：
 
   工作物質是固體(ti) 激光器的心髒，它的物理性質由基質材料決(jue) 定，光譜性質由激活離子內(nei) 的能級結構決(jue) 定。在YAG單晶體(ti) 中摻入三價(jia) 的Nd3+，便構成了目前廣泛應用的YAG激光晶體(ti) 。它主要有如下明顯的特點：
 
       1、YAG棒生長速度很慢，一般小於(yu) 1mm/h。目前最大晶體(ti) 棒的直徑為(wei) 40mm，長180mm，所以激光增益從(cong) 根本上受到限製，無法實現特高功率激光輸出。
       2、工作物質隻要是晶體(ti) 就無法回避激光棒的熱透鏡效應、熱應變和熱致雙折射現象，嚴(yan) 重時出現“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(wei) 2nm，所以要嚴(yan) 格控製泵浦源的線寬，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係統。
       4、由於(yu) Nd3+半徑與(yu) Y3+半徑不完全相符，Nd3+離子摻入YAG晶體(ti) 中在結構上存有天生的缺陷造成光學瑕疵，不能夠在YAG晶體(ti) 中摻入高濃度的Nd3+來實現高增益，這同時也是影響激光器光學性能的根本。
       5、處於(yu) 亞(ya) 穩態能級的Nd3+離子平均壽命長為(wei) 300us，其最佳Q開關(guan) 重複頻率隻能是1/300us，即3.3Khz，所以YAG激光器的Q開關(guan) 一般設定為(wei) 3-5Khz而無法實現高頻工作。
 
     光學諧振腔：
 
        傳(chuan) 統光學諧振腔主要由工作物質兩(liang) 端鍍了膜的兩(liang) 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構，傳(chuan) 統光學諧振腔主要有如下特點：
      1、由於(yu) 是由兩(liang) 塊鏡片組成，諧振腔受到機械振動、熱透鏡效應以及晶體(ti) 棒熱焦距擾動影響，從(cong) 而造成激光無法正常出光，需極為(wei) 煩瑣的調光與(yu) 監控。
      2、腔鏡對灰塵、水分和雜物十分敏感，需經常專(zhuan) 業(ye) 擦拭，否則影響激光功率。
      3、腔長長度與(yu) 輸出功率是一對矛盾，光束質量與(yu) 激光能量是一對矛盾；隻有采取昂貴的選模/鎖模腔才可以實現高質量的大功率輸出。
      4、從(cong) 激光晶體(ti) 激勵出來的初始激光不是單模光，而是一束直徑為(wei) 幾毫米的光束，必須通過腔鏡衰減或選模機製來實現單模輸出，從(cong) 而降低了整體(ti) 轉換效率。
 
        泵浦係統：
 
       由於(yu) 燈泵係統的優(you) 缺點廣為(wei) 人知，在此僅(jin) 談談DPSSL的泵浦方式的某些特性：
      1、由於(yu) DPPSSL主要是在泵浦係統上稍作改進，它隻能緩解激光棒熱效應，而無法從(cong) 本質上根除晶體(ti) 激光器的這個(ge) 弊病。
      2、需嚴(yan) 格控製LD的波長在808-812nm之間，要麽(me) 加冷卻係統，要麽(me) 加波長鎖定器，這是由於(yu) Nd :YAG晶體(ti) 光譜特性所決(jue) 定的。
      3、如泵浦光聚焦在幾毫米的晶體(ti) 端麵進行端泵，一是無法實現高功率輸出；二是泵浦光不能太強，否則膜層可能脫落，晶體(ti) 棒無法及時散熱，甚至出現棒畸變。
      4、如泵浦光對晶體(ti) 進行側(ce) 麵泵浦，則一般為(wei) 多模輸出，如不采取專(zhuan) 門措施，無法提高光束質量。
      5、LD直接發射出的激光為(wei) 高度高斯像散光束，在進行端泵時需增加各種光學元件把泵浦光校準、聚焦在晶體(ti) 上，這些附加的光學器件必將受到機械振動、灰塵和潮濕的影響，從(cong) 而降低轉換效率。
 
 

       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，其典型結構如下圖
 

 
        它與(yu) 我們(men) 傳(chuan) 統加工用的工業(ye) 激光的顯著區別有：
 
       1、用摻雜離子的光纖作為(wei) 工作物質
       2、用光纖光柵代替光學鏡片構成光學諧振腔
       3、LD泵浦源可以通過尾纖與(yu) 摻雜光纖無縫耦合
       4、導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隻有9um，而且隻能采用端泵，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(yan) 格的要求，隻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；最後，強泵浦光耦合在很細的纖芯裏會(hui) 出現嚴(yan) 重的非線性效應，從(cong) 而改變會(hui) 改變光學性能和降低轉換效率。由於(yu) 該種激光器受到功率的影響，一直以來隻局限於(yu) 光通訊領域；同時由於(yu) 巨大的行業(ye) 差距，幾乎無人曾敢把它與(yu) 激光加工聯想到一塊。所以，大功率輸出是光纖激光器發展的最大瓶頸，幾乎所有的研究工作都在圍繞這個(ge) 問題展開。
 
        盡管中國絕大部分人士是在2002年以後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年後有了IPG公司，英國也至少研究了30年也有了SPI。他們(men) 在冷戰時代都肩負著重要的國防使命，得到了國家的鼎立支持並一直是軍(jun) 事領域的絕密。
  

        四、高功率光纖激光器
        下圖是來自俄羅斯技術的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-----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成，作為(wei) 激光振蕩通道；而內(nei) 包層則由橫向尺寸和數值孔徑比纖芯大的多、折射率比纖芯小的純石英材料構成，它是接受多模LD泵浦光的多模光纖；正是因為(wei) 摻雜激活纖芯和接受多模泵浦光的多模內(nei) 包層分開，才得以實現了多模光泵浦而單模光輸出的可能，從(cong) 而無形化解了激光功率和光束質量這一矛盾。
       2、整個(ge) 雙包層光纖采用D型等結構，旋光效應小，吸收充分，光光轉換80%以上。
       3、光纖兩(liang) 側(ce) 生出無數杈纖，每分衩可與(yu) 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(chuan) 統端泵帶來的一係列熱效應問題。
       4、光纖采用比普通玻璃性能更好的石英材料製成，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(hui) 出現熱損傷(shang) 情況。
       5、Yb3+沒有激發態吸收，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，二又增大了散熱麵積；光纖盤在熱沉上，簡單風冷便可穩定工作。
       6、 Yb3+的吸收譜比Nd3+要寬10倍，對LD光源模式十分寬鬆，幾乎不受波長溫漂的影響，可大大轉換效率。
       7、 Yb3+能級為(wei) 簡單的二能級，亞(ya) 穩態壽命是Nd3+的三倍，小功率泵源就可在激發態積累貯存大量的能量，十分合適在極窄的纖芯內(nei) 形成高密度的離子數反轉，從(cong) 而可輸出穩定的強激光。

        光學諧振腔----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後者折射率的永久性變化，用紫外激光直接寫(xie) 入法在單模光纖的纖芯內(nei) 形成的空間相位光柵，其實質是在纖芯內(nei) 形成一個(ge) 窄帶的濾光器或反射鏡。
         2、光纖光柵是被刻在纖芯的兩(liang) 端，當激活離子發射出一連續寬帶光傳(chuan) 輸到光柵時，它會(hui) 有選擇地反射回相應的一個(ge) 窄帶光（如1064nm），並沿原傳(chuan) 輸光纖返回振動；其餘(yu) 雜光則直接透射或發射到光纖外濾掉。 
        3、光纖光柵是在纖芯本身上刻錄的，與(yu) 光纖連成一體(ti) 高度融合，不占任何額外體(ti) 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(cong) 而巧妙地取代了鏡片式傳(chuan) 統光學諧振腔，從(cong) 根本上解決(jue) 了震動、灰塵和潮濕等引起的一係列光路需調節的煩瑣問題。
        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，則必須采用負膨脹材料封裝光纖光柵，把溫漂係數控製在0.001nm/oC以下。
 
         泵浦係統-----側(ce) 麵泵浦：
 

        1、采用杈纖直接熔接耦合進行側(ce) 泵，一無需任何光學元件，二可避免損傷(shang) 光纖端麵，三是容易提高泵源的注入。 
        2、新穎的蜈蚣式側(ce) 泵方式：光纖兩(liang) 側(ce) 生許多纖杈與(yu) LD尾纖直接熔接，從(cong) 各個(ge) 不同點進行單個(ge) 泵浦，可避免強激光單點引起的非線性效應和模式惡化。
        3、采用多個(ge) 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，二是易於(yu) 泵源的散熱提高壽命，三有利於(yu) 維修更換。 
        4、采用發光麵很寬的LD（100-250us）作為(wei) 泵源可大大降低LD發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、脈衝(chong) 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(chuan) 統激光器那樣在諧振腔內(nei) 插入Q開關(guan) 來實現脈衝(chong) 輸出，因為(wei) 把光纖諧振腔（就是光纖）攔腰截斷插入Q晶體(ti) ，一會(hui) 增大插入損耗，二會(hui) 影響整個(ge) 激光器的緊湊性而無法實現光纖一體(ti) 化。所以如何實現光纖激光器的脈衝(chong) 輸出又是一個(ge) 全新的研究課題。目前比較成熟的技術是采用MOPA（主振動功率放大）技術來實現。
 

         MO（Master Oscillator）就是主振動器，它其實就是一個(ge) 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很容易通過驅動電流來直接調製輸出參數，如重複頻率、脈寬、脈衝(chong) 波形以及功率大小，通過尾纖把光脈衝(chong) 信號串聯進PA(Power Amplifier)---光纖功率放大器進行光脈衝(chong) 放大。光纖放大器一般隻用於(yu) 光纖通訊，它的原理與(yu) 光纖激光器十分相似，隻不過撤掉了光纖兩(liang) 端的光纖光柵而無法形成激光振動，隻起信號放大作用。光纖放大器能嚴(yan) 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、重複頻率、脈寬和脈衝(chong) 波形。所以脈衝(chong) 激光器采用MOPA方式，既可得到優(you) 良的激光特性，又能大大提高輸出激光的亮度。這是傳(chuan) 統方式所無法達到的綜合效果。
 
        從(cong) MO出來的光脈衝(chong) 通過PA放大器時，脈衝(chong) 的各部位獲得的增益會(hui) 不同：脈衝(chong) 前沿的增益按指數規律增加，脈衝(chong) 後部的增益逐漸減少，脈衝(chong) 後沿增益最小，尤其是如果脈衝(chong) 信號光很強，或脈寬較寬時，脈衝(chong) 後沿根本就得不到放大。所以在PA中一般要加上增益平坦器，使得脈衝(chong) 各部位得到均勻放大（如果入射信號的能量很小或者脈衝(chong) 很短，整個(ge) 脈衝(chong) 可得到均勻放大，而且脈衝(chong) 形狀保持不變）。 激光脈衝(chong) 通過放大器之後，其波形的變化與(yu) 入射信號脈衝(chong) 的前沿上升速度有著直接的關(guan) 係。如果信號光是高斯型脈衝(chong) ，因脈衝(chong) 前沿上升比指數還快，所以經過放大後，脈寬可以得到壓縮；如果是指數型脈衝(chong) ，形狀和脈寬幾乎都不變化；如果輸入脈衝(chong) 前沿上升時間比指數函數更緩慢，則放大後其脈寬會(hui) 變寬。一般為(wei) 了獲得高功率、窄脈寬的激光脈衝(chong) ，可以在信號進入放大器之前，采用削波技術切去脈衝(chong) 的緩慢上升部分，使其脈衝(chong) 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(guan) 研究工作都相對滯後，還處在摸索的初級階段，關(guan) 鍵部件都需進口。同時，雖然上海光機所、長春光機所、清華大學和南開大學在該領域取得了階段性的實驗成果，但是多沿襲了傳(chuan) 統激光理論，離國際先進水平相差甚遠，更談不上短期內(nei) 實現商業(ye) 化。而且都停留在連續光纖激光器方麵，至於(yu) 應用更為(wei) 廣泛的高功率脈衝(chong) 光纖激光器至今尚無任何實質性進展。