連續光纖激光器

1960年美國休斯實驗室著名發明家梅曼(T.H.Maiman)和蘭姆(Lamb)等人成功的研製了發明了世界第一台可操作的紅寶石激光器。1961年貝爾實驗室(Bell)賈文(A.Javan)等人制成了第一台氦氛激光器。1962年霍耳(R.N.Hall)等人創制了GaAs半導體激光器後,半導體激光器已廣泛地應用到通信、光盤存儲、檢測等領域中。而在1961年E.Snitzer首次通過試驗在摻稀土元素諧振腔(Fabry-Perot腔)中利用棒狀摻鎖](Nd3+)玻璃波導獲得了波長1.06nm的激光,即國際上報道公認的第一台摻Nd3+光纖激光器。而1962年H.W.Etzel等人已經制作出了第一台以鐿離子(Yb3+)作為工作物質的光纖激光器(YDFLfa],但是開始並沒有吸引人們太多的注意力。1964年C.J.Koester和E.Snitzer利用盤繞的線性燈管慄浦,在Im長的光纖中觀察到了激光脈衝被放大了 50000倍。光纖激光器不久以後便被應用於光學信息處理方面的工作,但是由於當時的光纖傳輸損耗太大(>1000dB/km)根本無法實現長距離傳輸和通信、作為粟浦源的半導體激光器無法在室温下連續工作等條件限制,光纖激光器的研究相對緩慢,沒有實質性的進展。 ^[1] 

1966年享有“光纖之父”稱號的高錕(K.C. Kao)和霍克哈姆(GA. Hockham)首先從理論上分析證明了用光纖作為傳輸媒體以實現光通信的可能性,並預言了製造通信用的超低耗光纖的可能性,徹底改變了人類的通訊模式。1970年美國的馬瑞爾(R.D.Maurer)、卡普隆(F.RKapron)等科學家用改進型化學相沉積法(MCVD法)成功地製造出世界第一根傳輸損耗只有20dB/km(低損耗)的石英光纖,攻克了人類長久以來所面臨的光纖無法實現長距離傳輸的技術難關。1974年,馬瑞爾進一步提出了雙包層光纖的概念。同年,美國貝爾(Bell)研究所採用最新發明技術-汽相沉積法(CVD法)製作出傳輸損耗降低只有l.ldB/km的低損耗光纖。而此時的J.Stone和C. A. Burrus則採用半導體注入型激光器終端慄浦方式成功地研製出能夠在室温下連續工作的擦Nd3+光纖激光器,對以後的光纖激光器實用性研究具有重要意義。 ^[1] 

1975年-1984年期間,光纖激光器的發展緩慢,但光纖激光器所必需的製作工藝關鍵技術卻日趨成熟,為研製全光纖激光器鋪平了道路。1985年,英國南安普頓大學(Southampton)的S.B.Poole等人採用MCVD方法首次把稀土輯離子摻入到單模桂光纖成功地製作了的低損耗單模摻鉺光纖,為光纖激光器帶來了新的前景。同時,RJ.Mears等人第一次報道了採用GaAlAs半導體激光器為慄浦源和低損耗光纖組成了 F-P腔和環形腔的慘Nd3+連續單模光纖激光器1987年,Southampton大學及Bell實驗室採用半導體激光作為泉浦源慄入摻輯(Er3+)單模光纖對光信號實現放大,從實驗上證明了慘輯光纖放大器(EDFA)的可行性,此後的EDFA已經成為光纖通信中不可缺少的重要器件。Southampton大學J.E.Townsend與S.B.Poole科研組等人進一步完善了各種慘稀土離子光纖的製作工藝與此同時,英國通信研究實驗室(BTRL)首次向人們展示了基於定向稱合器的光纖激光器,並研製出以半導體激光器為菜浦源的光纖激光器。此後,世界許多研究機構,如德國漢堡技術大學美國斯坦福大學、Bell實驗室及日本NTT等也在光纖激光器與放大器領域做出了重要貢獻。 ^[1] 

1988年,美國E.Snitzer等人首次利用雙包層光纖提出了包層慄浦技術,發明了摻Nd3+雙包層光纖激光器,顯著提高了摻雜光纖的吸收效率,從理論上證明了摻Nd3+雙包層光纖的吸收效率可以達到>90%,大大改善了光纖激光器的功率與效率,改變了光纖激光器只能作為小功率光子器件的歷史,使得高功率光纖激光器和高功率光纖放大器的製作成為現實及首選途徑。摻Nd3+雙包層光纖激光器從此成為包層泉浦光纖激光器發展初期的研究熱點,同時掀開了研究光纖激光器的熱潮和迎來了高功率光纖激光器的迅速發展時期。1993年,H.PO等人研製出了高功率摻Nd3+雙包層光纖激光器,該光纖激光器輸出斜率效率51%,波長1064mn和功率接近5W的單模連續激光。1995年,德國H.Zellmer等人研製了輸出波長為1064nm功率9.2W摻Nd3+雙包層光纖激光器。 ^[1] 

在連續光纖激光器方面，隨着光子晶體光纖技術的出現，使光纖技術具有了新的特性和優勢，實現了可製備大模場面積的單模纖芯光纖、高的內包層數值孔徑、無限單模等特性，從而使光纖激光器取得了飛快的進展。自從1999年光纖激光器的功率達到100 W以來，光纖激光器的輸出功率得到迅速提高，德國Jena大學、英國南安普敦大學、美國密西根大學等先後實現了高功率的激光輸出，到2004年，單模連續激光的輸出功率突破1 000 W 。2005年，德國Jena大學研究人員用摻鐿雙包層結構的光子晶體光纖實現了1 530W的功率輸出，光光轉換效率達75%。 ^[2] 

南安普頓大學在利用棒狀雙包層摻鐿光子晶體光纖，實現了功率320 W的連續激光輸出（斜率效率78%）。2009年底，南安普敦大學採用975 nm半導體激光器進行雙端泵浦，用波長1.1 μm高反射的二向色鏡和另一光纖端面的菲涅耳反射為諧振腔，增益雙包層摻鐿光纖參數為纖芯直徑50 μm，纖芯NA 為0.06，鐿離子摻雜濃度3 700 ppm，光纖在波長976 nm的吸收係數為1 dB/m，光纖長20 m，光纖被彎曲成25 cm 直徑的圓形。當兩端的泵浦功率分別為2.2kW和1.2 W時，獲得了激光的波長為1 090 nm、功率2.1 kW的連續激光輸出，其光束質量M2=1.2、斜率效率達74%。 ^[2] 

2010年已經能夠提供單纖單模輸出功率10 kW，多模輸出功率50 kW的產品，其中單模激光的電光轉換效率超過25%，光束質量M2=1.3。在其他波長方面，利用鉺鐿共摻的光纖介質，實現了數百瓦的激光輸出，利用摻銩的光纖介質，獲得了1 000W的功率輸出。2011年，研製出激光輸出功率達50kW的多模光纖激光器。 ^[2] 

窄線寬光纖激光器在光纖傳感和光通信中有着重要的應用。例如，相位敏感型光時域反射計，光學陀螺，相干光通信等。這些系統基於光的干涉特性，因此對激光器的線寬要求很高，通常是幾十赫茲甚至更低。實現窄線寬光纖激光器的方法多種多樣。下面簡要介紹兩種常用的方法。一種是利用超短腔實現單縱模光纖激光器。鉺纖的增益帶寬有限，當激光器的縱模間隔大於或者接近鉺纖的增益帶寬時，激光器只能實現單縱模運轉，對應的就是窄線寬光纖激光器。另一種方法是基於光纖中的非線性效應，例如布里淵光纖激光器。布里淵窄線寬光纖激光器，由於腔長很短，所以激光腔內只有兩個縱模可以實現振盪，進而實現窄線寬輸出。 ^[3] 

多波長光纖激光器是指可以產生多個波長的光纖激光器。多波長光纖激光器的應用也很廣泛，例如密集波分波分複用系統（DWDM）。DWDM 的核心器件是多波長光源，以前是使用不同波長的激光器來實現，這樣的系統不僅結構複雜，成本也很高。多波長光纖激光器可以大大地簡化系統，因為同一台激光器就可以產生多個波長信號。鉺纖是均勻加寬介質，因此摻鉺光纖激光器一般只可以產生一種波長。實現多波長輸出的關鍵是通過某些措施使得激光器內的增益是非均勻加寬的。這些措施包括液氮冷卻，非線性光纖環形鏡等。 ^[3] 

常見的多波長光纖激光器光路，採用非線性偏振旋轉技術來產生激光器內的非均勻加寬機制。再通過雙折射光纖構成的濾波器來實現多波長輸出。 產生了梳狀結構，且波長的間隔可以通過調節濾波器的帶寬進行調節。通過改變腔內保偏光纖的長度可以調節濾波器的帶寬。 ^[3] 

與傳統的氣體激光器、固體激光器、半導體激光器和染料激光器相比,光纖激光器具有摻雜稀土離子能級豐富、摻雜稀土離子能級寬、摻雜稀土離子種類多樣化、光纖製造成本低、光纖結構小巧便於操作、光纖幾何形狀的表面積/體積比大、稱合效率較高、易於與光纖傳輸系統連接、光纖焚光譜範圍寬(455-3500nm)、入射慄浦光相位匹配無嚴格要求、散熱快、損耗低、轉換效率較高、慄浦閩值功率低、激光亮度高和激光功率峯值高、輸出光束質量好、單色性好、方向性穩定、波長可調諧、容易實現單模、單頻運轉及超短脈衝等優勢。 ^[2] 

光纖激光器以光纖為增益介質，輸出激光的光束質量主要由光纖的纖芯直徑和數值孔徑決定，由於光纖極大的表面積與體積比值，因此很容易對其在高功率輸出時的熱效應進行有效地管理。同時，正由於光纖激光器中光纖極大的表面積與體積比值，散熱性能也非常好，因此幾乎不存在熱透鏡效應。因此，與傳統的固體激光器相比，光纖激光器在高功率輸出時可達到接近衍射極限的高光束質量。在電光轉換效率方面，光纖激光器的電光轉換效率可以高達28%，遠高於半導體泵浦的YAG激光器15%的電光轉換效率及CO2激光器10%的電光轉換效率，也高於碟片機用激光器的20%的電光轉換效率。光纖激光器的器件結構簡單，體積小巧，使用靈活方便。雙包層光纖激光器由於採用柔軟的摻雜光纖本身作為激光介質，泵浦源也是採用體積小巧易於模塊化的高功率半導體激光器，因此穩定性好，體積小，使用靈活方便。 ^[2] 

光纖激光器還具有波長可調諧、高可靠性、免於維護、尾纖輸出和使用壽命長等優點，是一種新型的優質激光光源，已引起人們的廣泛關注[3]，已經形成的光纖激光器產品類型包括：連續激光、脈衝激光、單偏振激光、單頻激光、超短脈衝激光和白光超連續光源等。其應用覆蓋材料處理、醫療、印刷、雷達、通信、激光切割、精密加工、印刷制輥、金屬非金屬鑽孔/切割/焊接、工業造船、大型基礎建設、航空航天、軍事國防安全等多個領域，市場需求也越來越大。據統計，2010年光纖激光器已約佔據整個激光器市場的25%，年銷售額近7億美元。如此龐大的市場需求，光纖激光器的研究已成激光器領域的研究熱點。 ^[2]