7大類光纖激光器*技術(shù)，你了解多少？

光纖激光器誕生于20世紀(jì)60年代。隨著玻璃光纖材料的發(fā)展、高功率光纖設(shè)備的成熟和高亮度、高功率半導(dǎo)體泵送源的商業(yè)化，光纖激光技術(shù)發(fā)展迅速。如今，光纖激光技術(shù)深刻地改變了我們的世界和生活。

一、光纖激光器的基本原理及分類

光纖激光器的基本原理和分類

在光纖激光器中，光纖起著增益介質(zhì)的作用。較早個是單層光纖激光器。抽射激光和輸出激光在纖維芯中傳輸。由于纖維芯的值孔徑小，抽射亮度要求相對較高，輸出功率相對較低，光纖放大器可以進(jìn)一步放大以滿足應(yīng)用。

雙包層光纖激光器出現(xiàn)后，光纖激光技術(shù)革命性發(fā)展，內(nèi)包層數(shù)值孔徑大，低亮度抽運(yùn)光可在內(nèi)包層傳輸，高亮度激光在芯中傳輸，抽運(yùn)亮度要求低，可耦合到內(nèi)包層抽運(yùn)光功率大大提高，大大提高了雙包層光纖激光器的輸出功率。

光纖激光器按工作模式可分為：連續(xù)光纖激光器和脈沖光纖激光器。目前，連續(xù)光纖激光輸出功率已超過1萬瓦，工業(yè)大功率連續(xù)光纖激光主要用于激光切割、焊接、熔化等領(lǐng)域；脈沖光纖激光分為納秒、皮秒、飛秒，工業(yè)化成熟的脈沖光纖激光是納秒脈沖光纖激光，脈沖能量可達(dá)到幾十毫焦水平，主要用于激光標(biāo)記、激光清洗等領(lǐng)域，超快速光纖激光發(fā)展迅速，主要用于激光冷加工、硬質(zhì)材料加工、精細(xì)加工等工業(yè)應(yīng)用。

根據(jù)腔體形狀，光纖激光器可分為：線性腔光纖激光器和環(huán)腔光纖激光器。線性腔光纖激光器為駐波腔結(jié)構(gòu)，高功率雙包層光纖激光器一般采用線性腔結(jié)構(gòu)；環(huán)腔光纖激光器為行波腔結(jié)構(gòu)，通常采用單模光纖件，可作為光通信光源和種子激光。

光纖激光器模，光纖激光器可分為單頻和非單頻光纖激光器。單頻光纖激光器為單縱模輸出，相關(guān)性高SBS效應(yīng)閾值低；多縱模光纖激光器光譜較寬，包括多縱模，相干性較差，但不易受影響SBS效應(yīng)影響。

根據(jù)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，光纖激光器可分為：單振蕩器結(jié)構(gòu)光纖激光器和主振蕩功率放大（MOPA）結(jié)構(gòu)光纖激光器。單振蕩器結(jié)構(gòu)的光纖激光器具有結(jié)構(gòu)簡單、只有一個激光諧振腔的特點(diǎn)（CW）激光振蕩器輸出功率已達(dá)到~6 kW；MOPA結(jié)構(gòu)光纖激光器的特點(diǎn)是：基于激光振蕩器、一級或多級光纖放大器MOPA準(zhǔn)單模連續(xù)光纖激光器的較大輸出功率已達(dá)到~20 kW。

非線性光纖激光器：利用光纖的非線性效應(yīng)提供激光等增益（Ra n）布里淵，光纖激光器（SBS）光纖激光器，光纖參量振蕩器（OPO）等。

分為摻雜稀土離子：

摻入式光纖激光器：輻射波段1 μm；能級結(jié)構(gòu)簡單，無刺激性吸收；量子轉(zhuǎn)換效率高；吸收譜與商用高功率半導(dǎo)體激光相匹配（LD）輸出功率高(單模連續(xù)光輸出~20 kW）。

誘餌與誘餌共摻光纖激光器：輻射波段1.5 μm，與通信波段匹配；人眼安全；利用能量轉(zhuǎn)換過程，提高泵送光的吸收，提高激光效率。

摻光纖激光器：輻射波段2 μm；人眼安全；理論上具有200%的量子效率;較高輸出功率已破干瓦(連續(xù));高功率/高能激光輸出潛力巨大。

激光器的輸出波長由光纖的玻璃基材料和混合稀土離子共同決定，光纖激光器的工作波段已覆蓋可見光、近紅外和中紅外波段。

激光增益光纖的玻璃基質(zhì)材料包括石英玻璃、硅酸鹽玻璃、磷酸鹽玻璃、鍺酸鹽玻璃和氟化物玻璃。目前，應(yīng)用較廣泛的激光增益光纖是石英玻璃光纖，技術(shù)成熟，性能優(yōu)越，商業(yè)化廣泛；波長傳輸范圍廣（0.38-2.1 μm），低傳輸損耗(較低0.2 dB/km）；折射率調(diào)節(jié)范圍寬，大數(shù)值孔徑易于實(shí)現(xiàn)；機(jī)械強(qiáng)度高，彎曲性能好；切割、焊接、涂層工藝成熟，光纖間高強(qiáng)度、高質(zhì)量耦合易于實(shí)現(xiàn)。

二、光纖激光器*技術(shù)的發(fā)展

光纖激光器*技術(shù)的發(fā)展

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高功率連續(xù)光纖激光器*技術(shù)

高功率連續(xù)光纖激光器主要分為單纖單模高功率光纖激光器和基于激光束的多模高功率光纖激光器。其中，單纖單模高功率光纖激光器一般采用單纖振蕩器結(jié)構(gòu)或MOPA結(jié)構(gòu)。使用單纖維單模激光器，光譜合成和相關(guān)合成可達(dá)到數(shù)十到數(shù)百千瓦的激光輸出，激光亮度降低，但仍保持高亮度；在工業(yè)應(yīng)用中，一般不需要高亮度，可以使用單模塊獲得一定的功率，如1000-3000 W單模激光，然后利用光纖合束器合成非相干功率，實(shí)現(xiàn)高功率。

在國際上，美國IPG公司推出單模10 kW，少模20 kW連續(xù)光纖激光器，合束多模500 kW連續(xù)光纖激光器。

國防科技大學(xué)、海富光子、中國工程物理研究所擁有單纖千瓦連續(xù)光纖激光器；創(chuàng)新激光推出多模合束35 kW連續(xù)光纖激光器；瑞科激光、飛博激光、海富光子、上海光輝、大科激光等。 kW激光器。2017年，海富光子報(bào)道了用半導(dǎo)體直接抽取的單纖8 kW光纖激光器。2018年，中國工程物理研究院報(bào)道了基于國產(chǎn)光纖的單纖10 kW光纖激光器。2018年，國防科技大學(xué)報(bào)道了基于國內(nèi)光柵器件的5.2 kW連續(xù)激光振蕩器。

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單頻窄線寬光纖激光器*技術(shù)

單頻窄線寬光纖激光器是一種具有優(yōu)異單色性和相關(guān)性的單縱模輸出，可用于雷達(dá)傳感領(lǐng)域。由于其前瞻性強(qiáng)，其發(fā)展備受關(guān)注。該技術(shù)的主要發(fā)展方向是超窄線寬、超低噪聲、特殊波段、高能量、高功率等。

2004年，超窄線寬單頻光纖激光器，NP photonics 公司報(bào)道了2 kHz基于線寬的單頻光纖激光器DBR單頻光纖激光器具有短腔結(jié)構(gòu)，可實(shí)現(xiàn)千赫茲量級光譜線寬度，已實(shí)現(xiàn)商用化。2014年，國內(nèi)研究開始跟上國際步伐。華南理工大學(xué)利用虛擬環(huán)形折疊腔降低空間燒孔效應(yīng)，延長腔內(nèi)聲子壽命600 Hz超窄線寬單頻光纖激光。

2012年，對于特殊波段的單頻光纖激光器，NP Photonics公司報(bào)道976 nm磷酸鹽光纖激光器單頻摻鏡。同年，報(bào)道1.2 μm單頻摻鈥ZBLAN開發(fā)光纖激光器相當(dāng)困難。2013年，悉尼大學(xué)首次報(bào)道中紅外2.9 μm基于單頻光纖激光器的單頻光纖激光器Ho/Pr共摻 ZBLAN光纖。2015年，國內(nèi)天津大學(xué)、海富光子報(bào)道1.95 μm石英光纖激光器單頻混合，一年后報(bào)道930 nm單頻釹石英光纖激光器。NKT Photonics近年來，公司單頻光纖激光產(chǎn)品銷售表現(xiàn)良好，NP Photonics公司、Fibertek、Addvalue 一直致力于單頻光纖激光產(chǎn)品的生產(chǎn)和研發(fā)。目前，單頻半導(dǎo)體激光器是單頻光纖激光器的強(qiáng)大競爭對手。

為了進(jìn)一步提高窄線寬光纖激光器的功率，受激布里淵散射會遇到各種非線性限制（SBS）它是限制單頻光纖激光功率/能量提升的主要因素。抑制受激布里淵散射的一般手段主要包括：增加纖芯模場面積，使用特殊光纖降低光場和聲場重疊，增加單位增益，降低光纖長度，降低溫度和應(yīng)力梯度SBS增益。

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光纖

2012年，NP Photonics毫焦量級單頻納秒脈沖光纖激光器首次報(bào)道。

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高功率連續(xù)單頻光纖激光器

2007年，康寧報(bào)道502 W、10 nm單頻連續(xù)光纖激光器通過改變纖芯的摻雜成分和濃度，大大提高了聲場和光場的重疊度SBS閾值。

2009年，諾斯羅普格魯曼報(bào)道608 W、2040 nm單頻連續(xù)光纖激光器(2) μm較大波段功率)。

811 W、10 nm單頻連續(xù)光纖激光器是目前已報(bào)道的較高功率單頻1 μm輸出。同年，國防科技大學(xué)報(bào)道了411 W、10 nm單頻連續(xù)光纖激光器對主放大有源光纖施加縱向應(yīng)力場SBS閾值。這是目前已報(bào)道的全光纖結(jié)構(gòu)光纖激光器的最大功率。

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高功率窄線寬連續(xù)光纖激光器

通過調(diào)整單頻光纖激光器的相位，可以適當(dāng)擴(kuò)大單頻光纖激光器的光譜線寬度，但仍保持單縱模特性。放大光譜寬度后的窄線寬光纖激光器可以實(shí)現(xiàn)數(shù)千瓦的高功率連續(xù)光纖激光器。2016年，麻省理工大學(xué)報(bào)道了3.1

kW窄線寬連續(xù)光纖激光器。該激光器包括透鏡、雙色鏡和其他體光元件。2018年，國防科技大學(xué)報(bào)道了3個全光纖結(jié)構(gòu).94 kW窄線寬連續(xù)光纖激光器，但模式不穩(wěn)定。2019年，中國科技大學(xué)和中國工程物理研究所報(bào)道了全光纖結(jié)構(gòu)3.7 kW、10 nm窄線寬連續(xù)光纖激光器。

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高功率納秒脈沖光纖

對于納秒脈沖光纖激光器，基于工業(yè)應(yīng)用需求的研究相對較多。主要以Q脈沖激光器或調(diào)制脈沖激光器為種子激光，基于MOPA脈沖能量/功率通過級聯(lián)光纖放大器逐步放大。

密歇根大學(xué)于2005年報(bào)道 μm波段、87 mJ、24 MW納秒光纖激光器具有峰值功率和空間結(jié)構(gòu)。2013年，耶拿大學(xué)報(bào)道了1 μm波段單模、26 mJ高能納秒光纖激光器(空間結(jié)構(gòu))采用專利特殊光纖，缺點(diǎn)是增益光纖不能纏繞彎曲。

目前，IPG有5000 W、100 mJ、100 ns 光纖激光產(chǎn)品。2013年，天津大學(xué)和海富光子報(bào)道了全光纖結(jié)構(gòu)11 mJ高能納秒光纖激光器。海富光子平均功率1200 W，能量30-50 mJ工業(yè)級納秒光纖激光器產(chǎn)品的全光纖結(jié)構(gòu)。同年，中佛羅里達(dá)大學(xué)報(bào)道了2 μm波段兆瓦級峰值功率納秒光纖激光器以摻雜光子晶體光纖為主放大器有源光纖。

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超快光纖激光器

超快光纖激光器一般通過鎖模激光實(shí)現(xiàn)皮秒、飛秒激光脈沖，將向超短脈沖、新波段、高能量、高功率發(fā)展。

亞利桑那大學(xué)于2010年報(bào)道了14 fs超快速飛秒光纖激光器。耶拿大學(xué)2011年報(bào)道GW高峰功率飛秒光纖激光器。2013年，天津大學(xué)報(bào)道< 25 fs超快速飛秒光纖激光器。2018年，耶拿大學(xué)報(bào)道了干瓦級平均功率飛秒光纖激光器，這是已知報(bào)道的較大平均功率飛秒光纖激光器。

2019年，上海光機(jī)利用國產(chǎn)微結(jié)構(gòu)光纖實(shí)現(xiàn)1 μm波段272 W皮秒光纖放大器的平均功率。同年，北京工業(yè)大學(xué)報(bào)道了脈沖能量27 μJ飛秒光纖激光器的主要放大級采用摻合式光子晶體光纖，光柵壓縮脈寬至173 fs。2014年，北京大學(xué)報(bào)道了910 nm，935 nm鎖模光纖激光器。2015年，拉瓦爾大學(xué)在中紅外波段取得了良好的研究成果，報(bào)道了3 μm波段鎖模光纖激光器。超快光纖激光器的研發(fā)取得了許多優(yōu)異的成果，如安揚(yáng)激光。

許多國內(nèi)外企業(yè)致力于研發(fā)和生產(chǎn)超快光纖激光產(chǎn)品，主要是為了提高其性價比和穩(wěn)定性，以滿足工業(yè)加工的需要。

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紅外光纖激光器

目前對中紅外光纖激光器的研究較多 ZBLAN光纖的3 μm波段中紅外光纖激光器。未來的主要發(fā)展方向是高功率、全光纖、中紅外鎖模、中紅外超連續(xù)等。

2009年，京都大學(xué)報(bào)道了24 W中紅外3 μm波段光纖激光器(空間結(jié)構(gòu)，液冷)。2011年，拉瓦爾大學(xué)報(bào)道了2011年 W、3μm波段光纖激光器(全光纖結(jié)構(gòu)，被動制冷)ZBLAN光纖焊接是實(shí)現(xiàn)全光纖結(jié)構(gòu)的重大突破。2018年，拉瓦爾大學(xué)報(bào)道了41.6 W中紅外3 μm波段光纖激光器是目前報(bào)道的最大功率全光纖3 μm波段光纖激光器。

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超連續(xù)光纖激光器

超連續(xù)光纖激光器是一種具有普通光源的新型激光器( 寬光譜特性及單色激光光源的方向性、高空間相干性、高亮度等特點(diǎn)。超連續(xù)譜的產(chǎn)生通常是指窄帶激光進(jìn)入非線性介質(zhì)后，在各種非線性效應(yīng)下進(jìn)入激光( 如調(diào)制不穩(wěn)定、自相位調(diào)制、交叉相位調(diào)制、四波混頻、孤子自頻移、受激拉曼散射等。 在色散的綜合影響下，光譜得到了了。主要發(fā)展方向是高功率、中紅外波段和更寬的超連續(xù)光譜覆蓋范圍。

2015年，國防科技大學(xué)報(bào)道了基于激光束的多模高功率200 W超連續(xù)激光。2018年，四川大學(xué)報(bào)道了基于光子晶體光纖的高功率215 W超連續(xù)激光。北京工業(yè)大學(xué)等也有一些好的報(bào)道。

2011年，密歇根大學(xué)在中紅外報(bào)道ZBLAN光纖中紅外超連續(xù)光纖激光。2019年，吉林大學(xué)報(bào)道了中紅外超連續(xù)光纖激光，光譜范圍為1-4 μm。

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其它光纖激光器

2019年，上海光機(jī)研究所報(bào)道了一種新型摻鐿鎖模拉曼光纖激光器，使用“8”自腔結(jié)構(gòu)鎖模。同年，清華大學(xué)報(bào)道了4 kW同帶抽運(yùn)隨機(jī)光纖激光器，是已報(bào)道該類激光器中的較高功率。

三、小結(jié)

小 結(jié)

總體來說，光纖激光器發(fā)展歷史悠久，但又充滿活力；它結(jié)構(gòu)簡單，種類繁多；各類型光纖激光器相關(guān)領(lǐng)域研究火熱，*技術(shù)突飛猛進(jìn)。從光纖激光器材料、結(jié)構(gòu)、性能等各方面還有許多問題需要研究。