光纖激光器的曆史和激光器本身的曆史幾乎一樣長。但是由於(yu) 增益光纖和泵浦光源等技術上的限製，商用光纖激光器直到20世紀末才出現。20世紀70年代以來，隨著光纖製備技術以及諧振腔結構的改進，光纖激光器有了很大的發展，特別是80年代中期英國南安普頓摻Er 3+光纖的突破，光纖激光器的實用化成為(wei) 可能，並顯示出十分誘人的應用前景，受到人們(men) 的廣泛重視。90年代開始出現了雙包層摻雜光纖激光器的研究。20世紀末寶利來公司的研究人員采用包層泵浦技術，在實驗室獲得了100 W的激光輸出，使得光纖激光器的實用化進入實際階段。2001年，SDL公司推出了第l 台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拉曼激光器的結構，根據這種結構可方便地設計出適合輸出1．30μm、1．45μm的諧振腔結構。IPG光子公司采用類似的結構實現了l200～l600 nm波段可選擇任意波長的激光輸出，輸出功率達到了lO W。DIANOVE．M．等人用摻有P205的光纖實現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台1．1μm，連續輸出10 kW的光纖激光器引起了業(ye) 內(nei) 的震撼！

　　日前光纖激光器研究與(yu) 開發主要集中在大功率雙包層光纖激光器技術上。用雙包層光纖實現大功率激光輸出技術最初於(yu) 1988年提出。高功率雙包層光纖激光器呈現出以下發展趨勢：
(1)單根光纖輸出功率從(cong) 百瓦級向千瓦級發展，目前單根光纖激光僅(jin) 在實驗室實現了千瓦級功率輸出，並且不是單橫模；
( 2)從(cong) 高功率連續光纖激光向高功率脈衝(chong) 光纖激光器發展，從(cong) 應用目標出發時，連續工作的光纖激光能提供的靶麵功率密度較低，脈衝(chong) 工作的光纖激光將會(hui) 更為(wei) 有用；
(3)從(cong) 常規的光纖激光組束技術向相幹組束技術發展。

1雙包層光纖
雙包層光纖( DCF) 是高功率光纖激光器的關(guan) 鍵部件，其結構如圖一 所示。雙包層光纖的基本結構包括直徑為(wei) l O～100μm的摻雜纖芯，以及直徑125～l000μm、數值孔徑約為(wei) 0．45的內(nei) 包層。設計雙包層光纖取決(jue) 於(yu) 要求的功率和光束質量。多模泵浦光被耦合進內(nei) 包層，在其內(nei) 傳(chuan) 輸2～8 m，並不斷被摻雜纖芯吸收。雙包層光纖可以通過兩(liang) 端同時泵浦來提高可用泵浦功率。激光諧振腔由外部光學係統或用紫外激光在光纖芯層寫(xie) 入光纖布拉格光柵(FBG)構成。纖芯可以摻雜多種不同稀士元素，對應不同的激射波長。鐿元素是可選摻雜物，因為(wei) 它有寬吸收帶和最高光能量轉換效率為(wei) 80％。
 
1．1光纖功率限製因素
由於(yu) 很多因素限製，目前單模光纖激光器光功率限製在1 kW左右，這些限製光纖功率的因素主要有：
(1)光學非線性效應，包括受激布裏淵散射，受激拉曼散射和自相位調製；
(2)放大自發輻射，它和激射波長競爭(zheng) 存貯能最，限製最大粒子數反轉和最終出射能量：
(3) 光纖的熱破裂極限大約為(wei) 100 Wcm-1。在不超過熱破裂極限時，如果一在段10 m長光纖上能量消耗為(wei) 15 Wm-1，一個(ge) 1 kW光纖激光器會(hui) 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處如果最大功率大於(yu) l Mw，10 μm芯徑的摻鐿光纖中脈衝(chong) 激發的塊損壞閾值大於(yu) 60 GWcm-2，連續和表麵損壞閾值相當低約為(wei) 1 Wcm-2。脈衝(chong) 長度小於(yu) 100 ns 時，自聚焦閾值約為(wei) 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(ti) 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(wei) 10 kW的高功率光纖激光係統。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，在一些應用場合效果並不是很好。

 

1．2光纖壽命
雖然雙包層光纖在1 kw量級時是易於(yu) 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，由於(yu) 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(wei) 泵浦波導又用為(wei) 光纖的保護膜。其破壞機理如下：水和玻璃表麵作用引起表麵形成氫氧根群，在945nm處其吸收也隨之增加。通過控製相對濕度保持光纖溫度低於(yu) 40℃時，在lO年內(nei) 損耗可以小於(yu) 5％。這個(ge) 溫度要求在泵浦功率達到約3 kW時，光纖要水製冷，而在多根光纖打捆時隻需空氣製冷即可。又如，摻鍺和摻銩光纖置於(yu) 高功率脈衝(chong) 激光器中，由於(yu) 多光子效應會(hui) 引起明顯變黑。而摻鐿光纖置於(yu) 大於(yu) 60 GW•cm-2(1060nm處脈衝(chong) )的激光中時，在5天內(nei) 光纖的吸收不會(hui) 產(chan) 生變化 。
 
2 高功率泵浦激光二極管#p#分頁標題#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光麵尺寸約1μm×500μm，輸出光功率可以達到5 W，一半采用TO封裝，利用半導體(ti) 冷器(TEC) 製冷。目前單管激光二極管售價(jia) 為(wei) 70～100美元／W。
( 2) 條狀激光二極管陣列由50個(ge) 左右的單管芯片(間隔約150μm寬) 組成激光條，每個(ge) 激光條可以輸出大於(yu) 60 w的功率。激光條置於(yu) 空氣製冷或水製冷的熱沉上。售價(jia) 也是為(wei) 70～100美元／W。
(3)疊層狀激光二極管陣列通過堆疊約20個(ge) 激光條構成。可輸出高達l200 w的連續激光。在這種結構中散熱是主要問題，一般采用微通道製冷設計，使水在層疊的激光條之間的微小通道中流動。
在設計高功率光纖激光器時，泵浦激光二極管和光纖一樣重要。最初的設計要求采用單橫模激光二極管。但是現在雙包層光纖的出現已經改變了這一要求。激光二極管的電光轉換效率已經提高到接近50％，激光條疊層的功率量級也超過l kw。為(wei) 製備具有競爭(zheng) 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(wei) 與(yu) 現存Nd：YAG和CO2激光器競爭(zheng) ，激光二極管價(jia) 格必須降至每瓦50美元以下，並在不遠的將來接近每瓦12美元。這樣的價(jia) 格在激光二極管規模生產(chan) 時是可以實現的。有很多生產(chan) 商如LIMO，美國的nLight ，德國DiLAS和Trumpf 等可以提供輸出功率達1．2 kw的激光二極管，壽命為(wei) 10 000 h。到2008年，激光二極管輸出功率量級可達二三千瓦同時壽命可達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(guan) 鍵之一。通常，通過改善激光二極管的光束質量或者通過光束轉換可以提高耦合效率。光束質量是光束能夠會(hui) 聚的緊湊程度的度量。有多種參數描述這種會(hui) 聚特性，最常用的是光束參數積BPP，它定義(yi) 為(wei) 光束束腰半徑，即W0，和光束遠場發散角半角Q0的積。在無像差的光學係統中，任何光束的這個(ge) 量足個(ge) 定值。
 
根據雙包層光纖的內(nei) 包層參數要求，二極管激光條／激光條疊層輸出光應聚焦成直徑為(wei) 400～1 000μm、數值孔徑NA約0．45的光束。這要求二極管激光器的BPP=100～259 mm mrad。SPI宣布將已製成的400W輸出功率耦合到直徑為(wei) 400 μm的雙包層光纖。如果泵浦發射功率達到2．5 kw，它可以耦合到直徑為(wei) l mm的雙包層光纖，相應光纖激光器的輸出功率約為(wei) l kw。英國南安普敦大學光電子學研究中心於(yu) 2004年6月也報道了一個(ge) 摻鐿大芯徑( 43μm) 的8 m長的在l 090 nm處連續輸出1．Ol kw的光纖激光器。

4 光纖激光器相幹合束
對不相幹光源而言，總功率強度是由單個(ge) 光源功率強度乘以光源個(ge) 數和填充因子F，也就是說，所有單個(ge) 光源功率之和乘以填充因子。在同相位相下光源的情況下，總功率強度則是各振幅相加然後平方，和不相幹光源的情況相比，聚焦的模場半徑減小了因子M，而其他參數相同。要實現相幹合束並不容易。因為(wei) 單個(ge) 光源的相位必須被動態地監控和調節。美國諾斯羅普•格魯曼(NOC)公司為(wei) 軍(jun) 隊設計了一個(ge) 相幹合束光纖激光器係統的原型，這裏價(jia) 格相對於(yu) 性能是排在其後的。這個(ge) 係統基於(yu) 由美國Nufem公司生產(chan) 的摻鐿大模場麵積偏正保持光纖，每個(ge) 臂的斜度效率為(wei) 77％，輸出功率達150 w。每個(ge) 臂的相位通過铌酸鋰波導相位調整器控製。原則上係統可以升級到足夠高的功率從(cong) 而取代化學激光器作軍(jun) 事應用——導彈防護，目標照明和襲擊地麵目標。然而這種結構不太可能用於(yu) 商用係統，因為(wei) 它複雜而且費用昂貴，但是它對光纖激光器和激光二極管相幹陣列器件技術的發展是一個(ge) 很好的驅動，是它們(men) 可以借鑒的技術儲(chu) 備源。#p#分頁標題#e#

5 光纖激光器設計
工業(ye) 激光器可分為(wei) 基本兩(liang) 類：連續和脈衝(chong) 。脈衝(chong) 激光器在鑽孔和切割時在減少熱損壞一熱影響區(HAZ)一( 當脈衝(chong) 寬度與(yu) 材料中熱擴散時間相比很小時，大部分熱量會(hui) 消散) 上很有用。在敲擊切割時它是材料的切除刀。而對於(yu) 光纖激光器，光纖可作為(wei) 一個(ge) 由連續或脈衝(chong) 也即準連續(QCW) 激光二極管泵浦的激光振蕩器或放大器。在準連續( QCW) 時，可達毫秒量級的泵浦脈衝(chong) 寬度，無須采用振蕩器/放大器結構。

 

5．1 連續(CW)/長脈衝(chong) （-1ms) 光纖激光器
    如圖二所示，連續光纖激光器的設計相對比較簡單，它可由不同廠商提供的現存元件裝配製作，輸出功率至少可以達到lO～20 w。二極管泵浦組件可以由單發射器、激光條甚至是疊層器件，它被熔接到光纖激光器組件集合。光到光的轉換效率達到80％，是激光二極管泵浦棒設計的轉換效率的兩(liang) 倍多，而且可以升級至l kW。為(wei) 達到脈衝(chong) 工作，連續泵浦激光二極管由脈衝(chong) 激光二極管取代，或者由和連續二極管激光器平均功率相同，但是可以產(chan) 生峰值功率2～4倍於(yu) 平均連續功率，脈寬小於(yu) 1 ms的準連續(QCW) 激光二極管取代(SPI供應一種平均功率l00 w的器件，其峰值功率為(wei) 400 W，占空因子為(wei) 25％) 。

5．2 脈衝(chong) 光纖激光器——種子激光振蕩放大（MOPA)
    為(wei) 滿足大多數軍(jun) 事和宇航應用，需要納米量級(10～100ns )的短脈衝(chong) ，必須用光纖作為(wei) 放大器連到主諧振腔上。諧振腔被直接調製或基於(yu) 聲光器件進行Q-開關(guan) 調製，以保證在脈衝(chong) 重複頻率20～50 kHz的1～500 ns的脈衝(chong) 中有約1～l00 mJ的脈衝(chong) 能量，這樣可得高達100 W的平均功率。脈衝(chong) 激光器設計比連續激光器複雜得多，費用也高得多。

6 應用
高功率光纖激光器可能的應用包括：激光焊接(小於(yu) l mm的窄區) 、熱處理、激光燒結、覆層塑料熱合( 焊接)、軟焊塗料剝除、連續縫焊激光成型、環氧固化自由形態加工、點焊醫學應用、激光二極管泵浦應用激光照明以及表麵溶解混合成型等。最可能的應用是在大尺寸製造領域，目前還沒有發揮很大的作用。其中一些領域被看作是有發展潛力的領域，包括：汽車、采暖通風與(yu) 空調( HVAC) 、導管製造業(ye) 、大型金屬結構等。光纖激光器有多種軍(jun) 事應用。例如用於(yu) 目標捕獲的激光指示器( 單脈衝(chong) 能量大於(yu) l00 mJ ) 、激光測距儀(yi) (單脈衝(chong) 能量大於(yu) l00 mJ，脈寬小於(yu) lOns) 以及功率大於(yu) 100 kW( 目標是1 Mw) 的激光武器。得到美國國防部高級研究計劃署( DARPA) 資助的美國諾斯羅普•格魯曼( NOC) 公司以及SPI 和IPG公司利用多光束相幹合束技術研究高功率光纖激光器，為(wei) 機載和艦載應用開發高於(yu) l00 kW的光纖激光武器。
 
7 光纖激光器的優(you) 越性
光纖激光器成為(wei) 研究熱點和應用寵兒(er) 當然是由於(yu) 它具有多種優(you) 越性能。
( 1 )它具有高的光束質量，可以輕易接近衍射極限，M2 常常可以接近於(yu) 1。
由於(yu) 光束產(chan) 生限製在細小的纖芯中，事實上這意味著它非常直，並且能被聚焦成極小的點，因而在打標、切割等應用中效率極高。
( 2 )它能達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。前麵已經指出，現在已經製造了單纖功率超過1 kW 的光纖激光器，可以期待不用太久就會(hui) 出現單纖功率達到10 kW 的光纖激光器。而光纖束集成的光纖激光器現在已經有50 kW 的產(chan) 品在銷售， 可以預計，光輸出功率再提高10 倍到500 kW 也是可能的。由於(yu) 其在高功率的同時具有很好的光束質量， 所以可以獲得非常高的功率密度。
( 3 )它非常高效並且容易冷卻。
光纖激光器一般可將70% ～80%的進入光纖的泵浦能量轉換為(wei) 輸出激光。這可以更好地節能， 同時這也意味著光纖激光器隻有很少能量被轉化為(wei) 熱。所以即使千瓦級的光纖激光器也隻需簡單可靠的風冷就足夠了。同時，細長的光纖具有很高的表麵積/體(ti) 積比，產(chan) 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(ge) 額外的好處是泵浦閾值功率也相當低(如摻Yb3 + 光纖激光器的泵浦閾值功率可低至10-4W 量級) 。對於(yu) 四能級係統，泵浦閾值的降低也許不太重要，而對於(yu) 三能級係統，需要較高的泵浦光強度來達到閾值，如果采用體(ti) 材料增益介質， 則唯有較大泵浦功率才能激射； 采用光纖結構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定性、可靠性。
通常傳(chuan) 輸光束需要借助於(yu) 光纖的柔繞性質將它轉移到目的地(如用於(yu) 內(nei) 髒係統的激光醫療) 。而激光耦合需要極為(wei) 精確的調校。所以常規激光器對碰撞、震動等非常敏感， 一旦光路失準， 就會(hui) 失效。而光纖激光器本身就是光纖結構， 十分便於(yu) 使用。同時這種波導結構與(yu) 標準通信光纖和現有的光纖器件如耦合器、偏振控製器、調製器和濾波器等完全兼容， 並且具有極小的插入損耗(可做到小於(yu) 0. 01 dB ) ， 故可以製作出完全由光纖器件組成的全光纖傳(chuan) 輸係統， 不必經過光電轉換可直接對光信號進行放大和處理， 利於(yu) 實現超長距離超高速度的信號傳(chuan) 輸。其高度穩定性帶來的好處之一就是使用壽命極長(可達十萬(wan) 小時以上) ， 基本上其使用壽命隻受限於(yu) 泵浦半導體(ti) 激光器， 維護方便，甚至實際上是不需要維護的。#p#分頁標題#e#
 

8 光纖激光器的發展趨勢

　　類似於(yu) 塊狀介質固體(ti) 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、超連續等極限方向發展， 另外還需要擴展新的激光波段，拓寬激光器的可調諧範圍，而光纖激光器係統則還需要繼續小型化、智能化。目前尤以高功率雙包層光纖激光器的研究為(wei) 焦點。

　　光纖激光器的發展呈現出以下四大趨勢：

　　( 1 ) 單根光纖激光的連續波輸出功率從(cong) 百瓦量級、千瓦量級向萬(wan) 瓦量級發展，在保持光束質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展的主要研究內(nei) 容之一。2004 年南安普頓大學報道了1. 36 kW 連續波光纖激光器， 斜率效率為(wei) 83% ， 光束質量因子M2 為(wei) 1. 4，並預言通過對摻雜光纖更先進的設計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(wan) 瓦。
( 2 ) 從(cong) 高功率連續光纖激光向高平均功率、高峰值功率的脈衝(chong) 光纖激光器發展。在許多應用中，由於(yu) 連續工作的光纖激光能提供的靶麵功率密度較低而不能滿足要求， 脈衝(chong) 工作的光纖激光則能提供更高的功率密度， 從(cong) 而能滿足需求。雙包層光纖激光器實現脈衝(chong) 激光輸出， 大體(ti) 上有三種方式：
①調Q 光纖激光器， 一般是通過在腔內(nei) 放置聲光調Q 元件或熔結一段常規光纖， 利用普通光纖中的受激布裏淵散射( SBS) 來實現脈衝(chong) 激光輸出；
②鎖模光纖激光器，利用光纖中非線性偏振旋轉采用環形腔結構實現脈衝(chong) 鎖模的光纖激光輸出；
③采用基於(yu) 種子激光振蕩放大(MOPA ) 的脈衝(chong) 光纖激光器。在此方式中，將高光束質量、小功率的激光器作為(wei) 種子光源， 雙包層光纖作為(wei) 放大器，容易獲得高平均功率、高脈衝(chong) 能量的脈衝(chong) 激光輸出，是目前的研究熱點。根據所用種子光源的不同，可實現窄線寬、皮秒和飛秒的脈衝(chong) 激光的高功率放大係統，能應用於(yu) 各種不同的場合。
光纖激光器的很大一部分應用可以使用超快激光，但現有的超快激光器的製造技術成本太高，係統的尺寸也過於(yu) 龐大， 這些嚴(yan) 重製約了它們(men) 的應用價(jia) 值。因此發展高功率密度的超快脈衝(chong) 激光器要特別注意降低它們(men) 的成本和減小尺寸。
( 3 ) 從(cong) 常規的光纖激光組束技術向相幹組束技術發展。將多個(ge) 高功率光纖激光器的輸出按常規方式組束，雖然可以提升總的輸出功率，但光束質量變差，亮度提高有限。相幹組束技術則由於(yu) 光束間的互相耦合， 可以在保持光纖激光器光束質量的同時， 提升總功率。這將是高功率光纖激光器發展的一個(ge) 很有前途的方向。
 
    ( 4 ) 光纖激光的工業(ye) 應用從(cong) 低功率的打標、雕刻(十瓦、百瓦級) 向更高功率的金屬和陶瓷的切割、焊接等方麵發展(千瓦到萬(wan) 瓦級) ， 在汽車工業(ye) 和船舶工業(ye) 中， 結構緊湊、使用方便的高功率光纖激光器具有巨大的市場潛力， 但要成功取代常規工業(ye) 激光器則依賴於(yu) 它能獲得優(you) 良的光束質量、更低的價(jia) 格以及企業(ye) 良好的售後服務。

9 結論
過去10年光纖激光技術在輸出功率、光束質量和亮度等方麵取得了巨大進步。因為(wei) 光纖激光器的高效率會(hui) 進一步降低電功率需求( 有可能減小l ／2)，在工業(ye) 製造方麵有進一步突破，而這些新的製造技術會(hui) 引發更多的目前尚未實現或等待開發的新設計和加工方法。高功率光纖激光器最終將會(hui) 成為(wei) 製造業(ye) 的主流設備之一。