高功率光纤激光器的应用与展望

收稿日期: 2002- 12- 12. 动态综述 高功率光纤激光器的应用与展望 张 军1, 2, 潘玉寨1, 3, 胡贵军1, 3, 张 亮1, 3, 王立军1 ( 1. 中国科学院激发态物理开放实验室,吉林 长春 130022; 2. 吉林大学 电子科学与 工程 路基工程安全技术交底工程项目施工成本控制工程量增项单年度零星工程技术标正投影法基本原理 学院, 吉林 长春 130026; 3. 中国科学院长春光学精密机械与物理研究所, 吉林 长春 130022) 摘 要: 简要介绍高功率光纤激光器的工作机理及研究现状,概述了高功率光纤激光器在通 信、工业、军事、医疗等方面的应用,并对其未来发展前景进行了展望。 关键词: 高功率; 光纤激光器; 双包层光纤 中图分类号: TN253 文献标识码: A 文章编号: 1001- 5868( 2003) 04- 0222- 05 Application and Forecast of High Power Fiber Lasers ZHANG Jun1, 2, PAN Yu2zhai1, 3, HU Gui2jun1, 3, ZHANG Liang1, 3, WANG Li2jun1 ( 1. Lab. of Excited States P rocesses, CAS, Changchun 130022, CHN; 2. College of Electronic Science and Engineering, Jilin Univer sity, Changchun 130026, CHN; 3. Changchun Institute of Optics , Fine Mechanics and Physics, CAS, Changchun 130022, CHN) Abstr act: The principle and research progress of the high2power fiber lasers are presented. T heir applicat ions in the fields of communicat ions, industry, military, and medicine are out lined, and their future development is forecasted. Key words: high power; fiber lasers; double2clad fiber 1 引言 光纤激光器的发展几乎与激光器并驾齐驱。早 在 1961年,美国光学公司就开始了光纤激光器的研 究工作。20 世纪 80 年代英国南安普顿大学的 S. B. Poole等人[ 1]用MOCVD 法制成低损耗的掺铒 光纤, 由于掺铒光纤激光器激射波长恰好位于光通 信的低损耗窗口, 随着掺铒光纤放大器( EDFA)在 光通信领域中的地位不断提高, 才使光纤激光器成 为研究热点。但是,早期的光纤激光器是将泵浦光 直接耦合进直径小于 10 Lm的单模光纤芯,耦合效 率低,导致光纤激光器的输出功率较低,一般输出功 率为毫瓦量级。然而, 大多数应用领域更需要瓦级 的光功率输出。由于受到光纤制作技术、泵浦光源 以及光学技术的限制, 光纤激光器发展比较缓慢。 直到 1988年美国宝丽来公司 Snitzer 等人[ 2]发明了 具有内包层结构的掺 Nd3+双包层光纤激光器,使得 掺杂光纤的吸收效率有了显著的提高, 在十几米甚 至更远距离内吸收效率达到 90% 以上。双包层光 纤的发明为瓦级甚至更高功率单模光纤激光器的实 现提供了坚实的基础。20 世纪 90 年代后期, 随着 半导体激光器及其掺杂光纤制作技术的日益成熟, 光纤激光器的研究也取得了重大进展, 其输出功率 从 1994年的 500 mW提高到 2002年的 2 000 W。 高功率光纤激光器将半导体激光器泵浦技术和 双包层光纤掺杂制造技术有机结合起来, 吸收两者 优势, 将高功率、低亮度、廉价的多模 LD光通过泵 浦双包层光纤结构,实现高亮度、衍射受限的单模激 光输出,大大提高了耦合及转换效率,增加了输出激 光功率。它以散热性能好、转换效率高、激光阈值 低、可调谐范围宽、光束质量好、免维护等显著优势, 受到各国科技工作者的重视。本文简要介绍高功率 光纤激光器的工作机理及应用, 并展望了其发展前 景。 #222# SEMICONDUCTOR OPTOELECTRONICS Vol. 24 No. 4 Aug. 2003 2 工作机理及泵浦方式 与普通激光器一样, 光纤激光器也由工作物质、 谐振腔和泵浦源组成,如图 1所示。一般的光纤激 光器大多是在光纤放大器的基础上发展起来的。它 是利用掺杂稀土元素的光纤, 再加上一个恰当的反 馈机制便形成了光纤激光器。掺杂稀土元素的光纤 就充当了光纤激光器的增益介质。在光纤激光器中 有一根非常细的光纤纤芯,由于外泵浦光的作用, 在 光纤内便很容易形成高功率密度,从而引起激光工 作物质能级的粒子数反转,从纤芯输出激光。依据 掺杂离子(如 Er3+、Yb3+ 、Nd3+ 等)特性的不同, 工 作物质吸收不同波长泵浦光而激射出特定波长的激 光。由于掺 Yb 光纤具有宽吸收谱、宽增益带和调 谐范围宽等优点[ 3] (见图 2) , 目前高功率光纤激光 器,大多采用掺 Yb3+ (或 Er, Yb共掺)光纤[4]。 图 1 光纤激光器基本结构示意图 光纤激光器的泵浦源采用技术成熟的半导体激 光器,但由于其输出光束过大很难耦合进单模光纤, 双包层光纤的研制恰好解决了这一难 题 快递公司问题件快递公司问题件货款处理关于圆的周长面积重点题型关于解方程组的题及答案关于南海问题 , 使高功率 光纤激光器成为可能。双包层光纤由纤芯、内包层、 外包层和保护层组成,如图 2所示。纤芯是掺杂稀 土元素单模光波导,内包层是横向尺寸和数值孔径 比纤芯大得多、折射率比纤芯小的多模光波导,外包 层是折射率比内包层小的聚合物,最外层是由硬塑 料等材料构成的保护层。双包层光纤与普通光纤的 区别在于泵浦光耦合进入内包层而并非纤芯, 泵浦 光在内包层中传播, 反复穿越纤芯被掺杂介质吸收, 从而使纤芯中传播的光比例增加,大大提高了耦合 效率和入纤泵浦功率, 耦合效率可达 80%以上[3]。 同时,对于均匀光场,泵浦光在光纤中的吸收效率不 仅与纤芯/内包层面积比有关,而且与内包层的几何 形状和纤芯在包层中的位置有关。内包层结构已由 最初的圆形发展到方形、矩形、六边形、星形和 D 型[5, 6]。CLEO. 96会议上, H. Mart in 报道了最佳内 包层结构条件, 认为最佳截面形状是内角为 30b、 60b、90b和 120b的多边形内包层结构。圆形内包层 同芯的双包层光纤吸收效率最差。目前, 以双包层 光纤为基础的包层泵浦技术, 已成为实现高功率光 纤激光器的首选途径。 图 2 双包层光纤截面图 与其他激光器相比,光纤激光器的优越性主要 体现在:光纤激光器是波导式结构、可容强泵浦、具 有高增益、转换效率高、阈值低、输出光束质量好、线 宽窄、结构简单、免维护、高可靠性等特点,且易于实 现和光纤的耦合。现代高功率光纤激光器的泵浦源 是高功率的多模激光二极管,通过一个围绕着单模 纤芯的双包层来实现, 其泵浦方式的选择尤为重要。 一般包括两种方式:端面泵浦和侧向泵浦。 最常用的是端面泵浦,也就是泵浦光从双包层 光纤的一端或两端经聚焦系统后直接入射到内包 层。对于高功率双包层光纤激光器, 宜采用双端泵 浦。另外,用特殊工艺制成的树叉型包层光纤, 多模 泵浦光就从光纤叉口导入,对树叉型光纤内的一条 细小的掺杂稀土元素(例如镱)的单模光纤纤芯泵 浦。如果将多个多模激光二极管的激光同时耦合进 包层光纤中, 就可以获得较高功率的激光输出。这 就是被称之为包层、多模、并行泵浦技术(见图 3)。 这样可以显著降低光纤注入端的功率密度,同时能 够保证光纤内功率和增益分布的均匀性。另一种泵 浦方式是侧向泵浦(见图 4)。通常在双包层光纤的 图 3 包层多模并行泵浦技术 图 4 侧面泵浦棱镜耦合示意图 #223# 5半导体光电6 2003 年第 24 卷第 4 期 张 军 等: 高功率光纤激光器的应用与展望 内包层刻 V 型槽[7]并用棱镜耦合使泵浦光从多点 注入[ 8] , 这样避免了在泵浦端面加波长选择耦合器 (如双色片、波分复用器等)。法国的 Keopsys 公司 在该项技术上已申请了专利, 称为 / V2Groove T echnology0。但这种方式要求严格的工艺,一般不 用于连续的高功率双包层光纤激光器的泵浦。 3 国内外研究现状及面临的关键技术 目前,高功率光纤激光器以其所具有的优点, 以 及重要的应用前景,吸引了国内外众多的研究单位 的注意。俄罗斯国家科学院, 美国的 SDL 公司和 IPG公司,英国南安普顿大学等研究机构对此开展 了大量研究。SDL公司于 1999年 6月报道利用 F2 P腔结构实现了 110 W输出的光纤激光器, 实验采 用双色镜作为前端腔镜, 另一端为抛光处理的光纤 端面, 提供 4%的菲涅尔反射作为耦合输出镜, 转换 效率高达 58% [ 9]。2002年 IPG公司采用光纤光栅 来选择输出波长,已经实现 700 W的连续输出, 并 且有 2 000 W产品销售。南安普敦大学也于 2003 年宣布掺镱光纤输出 270 W,波长 1 080 nm单模激 光,使用铒镱共掺双包层光纤可以输出 103 W 激 光,波长 1 565 nm[ 10]。 国内也有很多科研单位进行了大功率光纤激光 器的研究工作。南开大学利用我国自行研制的双包 层掺镱光纤实现斜率效率 86. 5%, 激光输出 6. 5 W[11]的光纤激光器;上海光机所也获得了功率 4. 9 W,波长为 1 100 nm的连续激光输出[ 12]。另外,华 中科技大学,西安光机所等单位也有这方面的报道。 我们也开展了高功率双包层光纤激光器的研究工 作,研究成果另文报道。 国内在高功率光纤激光器领域,大多处于实验 研究阶段,要实现产业化、商品化, 还有许多关键技 术需要解决,其中包括: ( 1)大功率多模激光二极管 光纤模块泵浦源的制作技术; ( 2)稀土掺杂双包层光 纤制作技术; ( 3)双包层光纤上光纤光栅紫外写入技 术; ( 4)多根粗(多模)光纤低损耗熔接技术(制作多 模耦合器)。 4 应用 近年来, 随着双包层光纤中各种掺杂技术的不 断完善,高功率光纤激光器的研究取得了长足进展。 光纤激光器以其卓越的性能和低廉的价格,在光纤 通信、工业加工、医疗、军事等领域取得了日益广泛 的应用。 表 关于同志近三年现实表现材料材料类招标技术评分表图表与交易pdf视力表打印pdf用图表说话 pdf 1中比较了各种掺杂离子光纤激光器的 特性及其应用领域。 表 1 各种光纤激光器的特性及应用领域 掺杂离子 光纤材料 泵浦波长/ nm激射波长/Lm 输出功率/W 应用领域 文献来源 Yb 离子 石英玻璃 915 1. 120 110 975 1. 060 272 915 1. 060 2 000 泵浦源, 材料处理,激光雷达, 测距 [ 9] [ 10] [ 13] Er ( / Yb 共掺) 石英玻璃 915 1. 565 103 光通信,光放大器 [ 10] Er离子 氟化物玻璃 915 2. 7 1. 7 激光医疗 [ 14] Nd 离子 石英玻璃 807. 8 1. 088 2. 5 815 1. 060 14 泵浦源, 材料处理,激光雷达 [ 15] [ 16] Tm/ Ho 离子 氟化物玻璃 803 2. 056 8. 8 激光手术,军事遥感, 光谱分析 [ 17] Tm离子 石英玻璃 790 1. 98 5 激光手术,军事遥感, 光谱分析 [ 18] 光纤激光器的应用主要体现在以下几个方面: 4. 1 通信领域 光通信正不断向全光网络发展, 应用最多而且 对光纤激光器推动最大的就是全光通信网络。光纤 激光器提供的 1. 30 Lm和 1. 55 Lm波段的激光, 它 们处于光通信的两个低损耗窗口, 并且 1. 55 Lm的 光纤激光器可以用半导体激光器作为泵浦源。在通 信市场,双包层 Er/ Yb共掺高功率光纤激光器已成 为光通信领域的一个研究热点,在这个系统中,通常 是以 Yb离子作为泵浦光的吸收体, 将能量通过谐 振吸收传递给邻近的Er 离子,提供 1. 55 Lm波长的 增益,输出符合光通信低损耗窗口的激光。同时,另 一个研究热点是高功率掺 Yb光纤激光器经频移后 输出1. 24 Lm和1. 48 Lm激光作为 PDFA 和EDFA 的有效泵源,使更长距离、低损耗传输光信号成为可 能[ 19]。 同时, 由于掺铒光纤放大器( EDFA)仅能在 Er 荧光线宽范围内得到增益, 且噪声较大,光纤喇曼放 大器作为目前可实现工作在光纤低损耗窗口 1. 2~ 1. 6 Lm波段最理想的光放大器, 备受关注, 但它走 #224# SEMICONDUCTOR OPTOELECTRONICS Vol. 24 No. 4 Aug. 2003 向实用的关键是需要高功率、波长适合的抽运光源。 利用 8 W左右高功率双包层光纤激光抽运的级联 喇曼激光器,可以在 1. 2~ 1. 5 Lm关键波长范围内 实现 1 W左右的激光输出,这是光通信波段喇曼放 大器所迫切需要的。高功率光纤激光器的另一个发 展方向是将其应用到光孤子通信和空间光通信领 域,实现远距离、无差错通信。 4. 2 工业领域 光纤激光器在工业加工方面具有巨大的潜在市 场。例如在图形绘制工业中, 高功率光纤激光器可 用于热内鼓直向平板图像系统, 其要求高功率和受 限衍射束质量。在微机械领域, 这种技术可以用在 焊口切槽、打弯、准直、解压、焊接及热处理等方面, 尤其是应用在磁、光学储存、半导体及电子工业中。 光纤激光器也被快速的应用于打标,特别是半导体 工业中的塑料打标及陶瓷封装领域[20]。 高功率光纤激光器在光刻艺术领域内也拥有极 好的性能和可靠性,减少了现有制造工艺中磨损部 件和消耗品,需要的操作人员相对较少,这样节省了 原材料和劳动力。与最初用于光刻的激光二极管泵 浦的固体激光器相比,它有着更高的光束质量、功率 稳定性以及耐用性。 在印刷工业中,利用高功率光纤激光器极高的 热稳定性和转换效率进行扫描与调制, 可以在一块 干衬底表面上形成图片, 坐标单位仅为 10 Lm。高 功率光纤激光器还可在几分内对标准尺寸图片曝 光。目前, 国外许多印刷厂家已采用双包层光纤激 光器来校样和制模。另外, 光纤激光器还应用在激 光焊接方面,德国的科学家使用光纤激光器焊接了 不锈钢薄片,焊点直径小于70 Lm,焊缝宽度小于 10 Lm, 并期望该装置用于微机械方面。 在工业领域应用较多的是掺 Yb 离子高功率光 纤激光器, 工作波长在 1 060~ 1 100 nm, 有着非常 高的斜率效率和输出功率, 它以结构紧凑、效率高、 寿命长、价格相对低廉等众多优势向传统的 CO2 激 光器和 NdBYAG激光器提出了挑战。 4. 3 医疗领域 目前,光纤激光器用作止血和手术刀已出现在 许多内外科手术中,并逐渐被广大医学工作者所认 同。早期用于临床的激光器大多是氩离子激光器、 CO2激光器和 YAG激光器,但它们通常具有相当大 的体积,光束质量不高,且需要庞大的水冷系统和安 装后的伺服,而这些又恰是光纤激光器所能弥补的。 高功率光纤激光器的引进,使组织脱落和光致凝结 手术的时间大大缩短。 在眼科手术中, 掺 Tm离子 CW高功率光纤激 光器能使角膜成形手术成功率更高, 同时还可以治 疗远视、近视等眼科疾病。在心血管手术中,利用光 纤的柔韧性和光纤激光器光束质量好, 可以使光纤 进入人体内排除肿瘤和各种淤积物[21]。另外, 在整 形美容手术中,高功率光纤激光器也发挥了相当大 的作用, 高功率 2 Lm 波长的激光在治疗皮肤癌和 去纹身方面已取得了良好效果[ 16]。功率超过几瓦 的掺铥光纤激光器则在显微外科手术中扮演了十分 重要的角色,它能为外科手术提供较大的高能辐射。 利用倍频晶体和喇曼频移等波长变换技术,可以由 光纤激光器得到从紫外到中红外波段的大功率激 光,满足不同医学应用领域的要求。 4. 4 军事领域 高功率、高质量激光武器一直是军事领域防御 和进攻武器所研究的重点,高功率光纤激光器以其 高亮度、小照射面积、体积小等优点越来越受到重 视。高功率光纤激光器, 作为武器它的输出能量高 度集中, 光功率密度可达到 MW/ cm2, 足以摧毁任 何坚固的目标。它以 30 @105 km/ s 的速度在空中 传播,瞄准目标时不需计算提前量,且射击时后坐力 很小,可随意变换射击方向,精确打击目标的要害部 位。目前,美国、日本等国的科学家都在致力于千瓦 级的激光武器的研制工作。 另外,在定位、测距、遥感、跟踪制导和模拟打靶 等工作中光纤激光器作为一种有效的工具也备受青 睐。在激光测距系统中, 光纤喇曼激光器频移波长 1. 54 Lm的激光, 在测距仪发射后进入人眼视网膜 以前被人眼的液体部位吸收和耗散掉了, 实现了对 人眼安全。这类激光测距仪在军用上为步兵和炮兵 前沿侦察、对空防御和坦克火控提供人眼安全及较 高效的激光测距仪器。 5 展望与结论 高功率光纤激光器作为新一代激光器的代表, 其发展方向主要表现在以下几个方面: ( 1)研制全光纤高功率激光器,实现与光纤通信 系统高效率的连接; ( 2)研制更高功率光纤激光器,以满足各种大型 重工业和航空航天等领域焊接、打标的需求; ( 3)进一步提高高功率光纤激光器的性能, 采用 #225# 5半导体光电6 2003 年第 24 卷第 4 期 张 军 等: 高功率光纤激光器的应用与展望 传统的调 Q、锁模等技术改善脉宽、谱宽、重复频 率、脉冲能量和调谐范围等特性; ( 4)研制各种新型掺杂光纤和光纤光栅, 以输出 各种波长激光, 满足不同领域应用要求; ( 5)高功率光纤激光器实用化研究。 光纤激光器自问世以来, 科学家对其激光特性 进行了大量研究,提高了各种特性功能。高功率、高 效率半导体激光器集成技术的成熟及掺杂光纤制作 技术的发展,特别是双包层光纤的研制使高功率激 光输出成为可能。高功率光纤激光器在很多领域有 着广泛的应用, 具有很大的商业价值和发展空间, 其 在光束质量、可靠性和体积大小等方面都具有极大 优势,各种体积庞大的传统激光器(如 CO2 激光器、 YAG激光器)势必被这种高效率、长寿命、小体积、 大功率光纤激光器所替代。 新型高功率光纤激光器越来越引起激光技术研 究人员和激光技术应用者的注意。它初露锋芒地展 现出美好的应用前景。在不久的将来, 光纤激光器 将在各个领域中发挥重要作用, 显示出其特有的优 势。 参考文献: [ 1] Poole S B, Payne D N, Fermann M E. 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