高功率光纖激光器關鍵技術及進展

曹立君

摘要：隨著我國近代化發展，光纖激光器輸出功率也在飛速發展，由于高功率光纖激光器的超強功率，滿足許多行業對輸出功率的需求，被應用于工業加工、軍事國防等多個領域。本文主要闡述高功率光纖激光器關鍵技術與進展，并對其發展趨勢做出了相應評價。

關鍵詞：高功率；光纖激光器；技術與進展

引言

高功率光纖激光器對我國各行業都有極大的促進作用，激光器的制作也被越來越多人關注。高功率光纖激光器關鍵技術包括光纖制作技術和激光合成技術。隨著時代的發展，這兩個技術不斷變化發展，最終變化為我們目前常用的以下幾項技術。

1.高功率光纖激光器的關鍵技術

1.1增益光纖制作技術

1.1.1稀土摻雜雙層石英光纖

石英是光纖的主要組成成分，具有硬度大、輸出功能強的特點，在制作高功率光纖激光器過程中摻雜稀土元素，可以增強高功率光纖激光器的韌性和質量，有利于延長激光器的使用壽命。為了將稀土的特殊屬性更好的發揮出來，一般采用雙包層技術制作光纖激光器。雙包層是指光纖由纖芯、內包層和外包層和保護層構成。光纖具有極強的反射能力，激光經過內包層的全反射，可以將能量完美的傳遞，對于強度過大來不及反射的激光，又可以通過外包層傳輸，實現二次傳輸的目的，減少了光纖傳輸過程中的能量損耗。光纖激光器的傳輸能力與纖芯直徑的大小有很大的關系，纖芯直徑越大，運輸的激光的利用率就越大，反之則越小。隨著科學技術的不斷發展，光纖纖芯直徑發生了很大變化，光纖的形態也從單一的圓柱形發展到了多邊形，相關人員對光纖纖芯規格參數也做了一定研究，根據光纖的實際應用，光纖纖芯的制作規格有所不同。制作高功率光纖激光器的纖芯直徑不能過大，也不能過小，纖芯直徑過大會降低光纖輸出激光的光束質量，影響激光器的功能，而纖芯直徑過小，無法滿足激光器高功率的需求，因此光纖的制作是高功率光纖激光器的重要過程。

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，而光子晶體光纖的概念最早由Russell.ST.J等人于1992年提出，簡稱PCF。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構。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成，所以又被稱為多孔光纖或微結構光纖。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點，通過改變空氣孔的大小和排列而使PCF特性改變的可調節性，預示著PCF將會有廣泛的應用前景。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值孔徑的控制才能實現單模輸出。這種方法存在兩個問題，一是纖芯直徑的增加受到工藝和其他參數的限制不能精確控制。而稀土摻雜雙包層PCF的導波性質主要取決于光纖的結構而與材料無關，可以將稀土摻雜雙包層PCF的模場面積增大，以降低光纖內的功率密度和控制光纖產生非線性現象，目前這種具有大模場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，并將進一步提高光纖激光器的功率水平。

1.2泵浦光耦合技術

1.2.1端面耦合技術

端面耦合技術主要運用于雙包層光纖中，具體步驟為將泵浦光聚集到光纖的內包層的端面處，直接耦合到雙包層光纖中。端面耦合技術的優勢在于操作簡單、易于實現。將泵浦光直接耦合傳輸，提高了光纖的傳輸功率。但該技術也存在劣勢，一方面由于強度過大的泵浦光耦合能量，易造成光纖端面的損耗，很大程度增加了光纖的報廢率，另一方面，耦合光束過于集中，光纖端面接受面積太小，光纖稍有移動，就會造成很大誤差，傳輸的光束質量也會極度下降。隨著端面耦合技術不斷改進發展，光纖合束器耦合方式應運而生。光纖合束器耦合技術可以滿足高功率光纖激光器的運輸需求，同時可以實現多個泵浦源的同時泵浦，也降低了光纖端面的損耗率，進一步提高了激光器的工作效率，解決了傳統光束傳輸的很多弊端。

1.2.2側面耦合技術

側面耦合技術是將雙包層光纖的一段涂敷層以及其外包層剝除后，在內包層的一個側面，泵浦光經一定的耦合方式注入雙包層光纖內層。該技術與端面耦合技術不同的是端面耦合技術是將泵浦光聚焦到光纖包層的端面處，而側面耦合技術是將泵浦光聚集在光纖側面再直接耦合。該技術彌補了耦合技術中由于光束強度、能量過高而造成光纖端面損傷的缺陷，側面耦合技術增加了光纖接受泵浦光的面積，減少了光纖的破損。但側面耦合技術對工藝要求較高，不易實現，也無法達到多點分布式泵浦的要求。因此為了解決側面耦合技術無法實現多點分布式泵浦的缺陷，研究人員推出了斜角光纖耦合技術和棱鏡耦合技術。斜角光纖耦合技術和棱鏡耦合技術可以簡單、有效的實現多點分布式泵浦要求，是光纖耦合技術的一大進步。這兩種技術主要是依靠光纖和泵浦光的一個最佳斜角，該斜角可以產生最大功率的輸出，從而極大程度的提高光纖激光器的工作效率。

1.3模式控制技術

模式控制技術主要是為了提高光纖激光器的工作效率，解決隨著光纖纖芯直徑增大，輸出光束質量下降的問題。模式控制技術可以通過多次模擬實驗操作，判斷、推斷出光纖輸出功率、光束質量和光纖損傷之間的大致關系，確定光纖纖芯直徑和光束質量的最大限度，根據實際情況，制作相應的光纖激光器。若需要的是高頻率、高效率的高功率激光器，就可以適當增大光纖纖芯的直徑，若要求高質量的光束，就不能只追求速度和時間了，只能根據相應參數，制作纖芯直徑小的高功率光纖激光器。模式控制技術可以有效降低光纖激光器的制作成本，減少了不必要的光纖浪費。

1.4激光合成技術

1.4.1激光波長合成

激光波長合成光束主要是將一些波長、頻率相近的激光合成，從而得到質量較好的光束。由于合成激光的波長相近，所以激光波長合成操作較為簡單、易于實現。但激光波長合成光束的輸出功率普遍較低，相關研究人員就又對該激光合成技術做了科學改革。在高功率光纖激光器中，激光在低頻率的諧振腔中達到一個穩定的波長，在其穩定的基礎上實現光束疊加，光束疊加之后再通過功率放大，就獲得了高功率的激光。這樣避免了在高頻率中激光性質不穩定而造成光束質量劣化的問題，既達到了實際應用中對光束的要求，又獲得了需要的功率輸出。

1.4.2激光功率相干合成

激光功率相干合成光束主要是將多路激光光束經過相干控制后合成一束光。該激光合成光束降低了對激光頻率、功率和波長的要求，波長相差較大的激光可以通過相干控制合成一道光束，從而滿足實際生活中對激光多變的需求，也可以將多路功率小的激光通過相關控制進行合成，從而得到高功率的激光。但激光的相干控制技術較為復雜，操作難度系數大，對操作員的要求也更高。

結語

高功率光纖激光器的發展和完善，有利于我國科學技術的發展。光纖制作工藝和研究都是國內外關注的焦點，相信在未來，我國研究人員一定能完善光纖制作工藝，制造出簡易、符合要求的高功率光纖激光器。

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