8/26/2004,本站消息，
作者：Adrian Carter
美國Nufern公司
譯者：譚治國
香港盛昌電子有限公司
摘要：和傳統(tǒng)的固體激光器相比，光纖激光器在體積、可靠性、波長選擇性、散熱以及插頭效率、運(yùn)行費(fèi)用等方面具有多項(xiàng)優(yōu)勢(shì)。并且，光纖激光器在運(yùn)行過程中，不需要主動(dòng)冷凝技術(shù)以及繁瑣的光學(xué)準(zhǔn)直操作。因此，光纖激光器正逐步成為工業(yè)激光應(yīng)用中的熱點(diǎn)。
    1999年，世界上第一臺(tái)具有100瓦連續(xù)輸出的單模光纖激光器問世，標(biāo)志著高功率光纖激光器成為現(xiàn)實(shí)。不過，人們很快就認(rèn)識(shí)到，為了獲得更高功率的輸出，常規(guī)的“小芯徑、大數(shù)值孔徑”的光纖設(shè)計(jì)已經(jīng)不適合大功率輸出的應(yīng)用。具體原因在于，這種常規(guī)的光纖在大功率應(yīng)用情形下，其固有的非線性效應(yīng)（如SBS、SRS以及自相位調(diào)制）限制了輸出功率的進(jìn)一步提高。而具有高稀土元素?fù)诫s濃度，同時(shí)其芯徑相對(duì)較大而數(shù)值孔徑相對(duì)較小的所謂“大模場(chǎng)面積”（LMA）光纖卻能夠克服這些限制。隨后，通過采用這種LMA光纖，人們最近成功實(shí)現(xiàn)了在一根光纖上產(chǎn)生具有衍射極限光速質(zhì)量、輸出功率達(dá)到千瓦級(jí)的高功率光纖激光器。
    為了進(jìn)一步提高輸出功率，可以將多個(gè)光纖激光器的輸出合并。對(duì)于一些工業(yè)和軍事應(yīng)用，激光器的輸出功率需要達(dá)到幾個(gè)千瓦或者幾百個(gè)千瓦。對(duì)這類高功率應(yīng)用而言，如果能夠?qū)崿F(xiàn)多個(gè)光纖輸出的相干合成并束，來獲得較大的功率輸出將非常具有吸引力。而為了獲得相干合成并束，要求有源光纖具有保偏特性。這一需求增加了光纖設(shè)計(jì)的難度。不過，這種光纖目前已經(jīng)成功地研制出來。本文講主要談到最近在光纖設(shè)計(jì)上的若干進(jìn)展，以及這些進(jìn)展如何能夠促進(jìn)大功率光纖激光器或者光纖放大器的發(fā)展。 
1.  概述
    摻鑭石英光纖激光器早在60年代就問世了。不過，這種激光器的可以達(dá)到的總的輸出功率最終受到一個(gè)因素的限制：需要將泵浦能量直接注入到光纖纖芯。這種激光器的輸出功率典型值在幾十個(gè)毫瓦或者幾百個(gè)毫瓦。和Nd：YAG固體激光器以及氣體激光器相比，它們并不具備什么優(yōu)勢(shì)。不過，隨著1988年包層泵浦光纖設(shè)計(jì)的出現(xiàn)，人們突破了上面提到的這一限制。到了1999年，世界上第一個(gè)連續(xù)輸出超過100瓦的單模光纖激光器問世。由于不需要將泵浦能量直接耦合到模場(chǎng)直徑相對(duì)較小的光纖中去，人們可以采用低成本的、大模場(chǎng)（多模）、高功率的半導(dǎo)體激光器作為泵浦源。
    對(duì)于某些應(yīng)用，如自由空間光通信（FSO），需要激光器工作在對(duì)人眼安全的1.5-2微米的波長范圍。傳感器和醫(yī)療應(yīng)用也對(duì)工作波長有特殊要求。對(duì)于波長有各種特定要求的應(yīng)用，必須采用不同的鑭系元素，如Ne、Th或者鉺鐿共摻來實(shí)現(xiàn)。對(duì)波長沒有特殊要求，只是要求輸出功率高的應(yīng)用而言，鐿元素則具有獨(dú)到的優(yōu)勢(shì)。表現(xiàn)在，摻鐿光纖能夠在一定的波長范圍內(nèi)（從975納米到1200納米）實(shí)現(xiàn)波長可調(diào)的高功率輸出。因?yàn)殍O元素的吸收譜比較靠近熒光譜，它的量子效應(yīng)相對(duì)較低。因此，只有很少部分的泵浦能量被浪費(fèi)。不僅如此，和鑭系元素不同的是，鐿元素只有一個(gè)單一的激發(fā)態(tài)，因此，它不會(huì)受“激發(fā)態(tài)吸收”（ESA）的干擾，也極少產(chǎn)生自淬火現(xiàn)象。因此，可以使用高濃度的鐿離子，同時(shí)又獲得高的轉(zhuǎn)換效率（典型值大于75％）�？紤]到這些因素，激光器行業(yè)已經(jīng)將關(guān)注點(diǎn)轉(zhuǎn)向摻鐿光纖的開發(fā)。接下來的討論也將主要集中在這些光纖的設(shè)計(jì)問題上。
2. 大模場(chǎng)面積摻鐿光纖
    在一個(gè)雙包層光纖的單模纖芯中實(shí)現(xiàn)具有衍射極限光束質(zhì)量的輸出并不是不可能。不過，這樣的設(shè)計(jì)會(huì)限制可以獲得的總的輸出功率。在脈沖激光器中，還會(huì)限制到平均功率、峰值功率以及脈沖能量的大小。原因在于：對(duì)于脈沖應(yīng)用而言，由于能量儲(chǔ)存能力低以及光纖固有的非線性效應(yīng)。能量儲(chǔ)存的能力取決于最大的可獲得的粒子數(shù)反轉(zhuǎn)以及激活粒子數(shù)目這兩個(gè)因素，而粒子數(shù)反轉(zhuǎn)又取決于受激的自發(fā)輻射發(fā)生的概率。高摻雜、大模場(chǎng)面積光纖能夠突破這些限制。通過增大纖芯直徑以及減小其數(shù)值孔徑，激光器是可能單模運(yùn)作的。并且可以同時(shí)減少自發(fā)輻射被纖芯俘獲的幾率，減少光纖內(nèi)的功率密度，進(jìn)而提高產(chǎn)生非線性效應(yīng)的閾值。不僅如此，對(duì)于一個(gè)給定的玻璃摻雜濃度以及包層直徑而言，其總的激活粒子數(shù)目，以及能量儲(chǔ)存能力也隨著纖芯直徑平方值的增加而增加。因此，我們完全可以通過減小光纖的長度來進(jìn)一步提高產(chǎn)生非線性效應(yīng)的閾值。
    當(dāng)然，對(duì)于纖芯直徑來講，并非越大越好。存在一個(gè)上限，超過這個(gè)上限，就不能保證光纖處于單模運(yùn)作狀態(tài)。并且，如果數(shù)值孔徑太低（小于大概0.06），光纖開始表現(xiàn)出非常大的彎折敏感性。因此，這些因素確定了光纖數(shù)值孔徑的下限以及光纖纖芯直徑的上限。好在我們可以采用多項(xiàng)不同的技術(shù)來抑制高階激發(fā)模式的產(chǎn)生，因此，即便光纖纖芯直徑相對(duì)較大（這時(shí)光纖實(shí)際上處于多模運(yùn)作狀態(tài)），光纖也可以產(chǎn)生具有衍射極限光束質(zhì)量的輸出。這些技術(shù)包括光纖折射率分布的設(shè)計(jì)、摻雜的設(shè)計(jì)、特殊的腔體設(shè)計(jì)、光纖端頭的楔形設(shè)計(jì)、調(diào)整SEED注入條件、光纖彎折技術(shù)（對(duì)基模之外的其他所有橫模，盡量產(chǎn)生較大的彎折損耗）。也許最簡單、最具有成本優(yōu)勢(shì)的技術(shù)就是彎折技術(shù)了。它不需要對(duì)SEED模式進(jìn)行復(fù)雜的匹配工作，也不依賴于復(fù)雜的光纖設(shè)計(jì)。只需要挑選一個(gè)恰當(dāng)?shù)膹澱郯霃剑ɑ�于纖芯直徑和數(shù)值孔徑來確定），來抑制高階模式。這一技術(shù)的原理在于：基模對(duì)于彎折損耗是最不敏感的，彎折損耗與彎折半徑之間成指數(shù)關(guān)系。如圖1表示了彎折損耗和一個(gè)數(shù)值孔徑為0.06、纖芯直徑為30微米的光纖的彎折半徑之間的關(guān)系。

        

    在這樣一個(gè)線性配置的光纖中大概可以傳播5個(gè)模式。不過，通過選擇合適的彎折半徑（比如50毫米），光纖對(duì)于LP11模式的損耗系數(shù)大概是50dB/m（高階模式的損耗更大），而對(duì)于LP01模式則只有0.01dB/m。需要強(qiáng)調(diào)的是，這一技術(shù)并不是說把高階模式的功率剔除出去，相反，它是通過抑制這些高階模式在光纖內(nèi)的傳輸來實(shí)現(xiàn)的。因此，整個(gè)激光器的效率并沒有顯著的下降。
3. 保偏的大模場(chǎng)面積雙包層光纖 (PM-LMA-DCF)
    要想通過擴(kuò)大纖芯的直徑來無限地增加大模場(chǎng)面積雙包層光纖的輸出功率是不可能的。最終的情況是，在一定的情況下（上限），輸出的光束質(zhì)量開始劣化。為了克服這一束縛，目前的研究工作主要是通對(duì)過玻璃組成成分以及波導(dǎo)結(jié)構(gòu)的優(yōu)化來改善大模場(chǎng)面積雙包層光纖的設(shè)計(jì)。主要包括：通過對(duì)纖芯內(nèi)折射率分布的細(xì)致設(shè)計(jì)，來減小纖芯內(nèi)光傳播時(shí)的峰值功率密度。當(dāng)然，這一技術(shù)的有效性多少還是存在一些局限。人們?nèi)匀恍枰�考慮一些其他可能的技術(shù)來顯著提高輸出功率。
    通過多個(gè)光纖激光器的組合，人們已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了輸出功率超過1千瓦的激光器。最近，也有報(bào)道在一根光纖中實(shí)現(xiàn)大功率激光輸出，盡管這些激光器的輸出光束質(zhì)量不太理想。隨著對(duì)輸出功率為幾個(gè)千瓦的工業(yè)切割以及焊接應(yīng)用的需求以及對(duì)于大于幾百個(gè)千瓦的軍事以及航天應(yīng)用的需求不斷增加，當(dāng)前一些研究小組的目標(biāo)是要在一根光纖中獲得具有衍射極限光束質(zhì)量的千瓦功率輸出，然后通過多個(gè)類似器件的合并來實(shí)現(xiàn)更大功率的輸出。人們已經(jīng)成功演示了某些增加輸出功率的技術(shù)，包括采用“相干光束組合，光譜光束組合以及偏振光束組合”。對(duì)于這些要求輸出功率非常高的應(yīng)用而言，激光器必須處于穩(wěn)定線性偏振狀態(tài)。許多其他類似的應(yīng)用也要求輸出光為偏振光（包括相干光通信，非線性頻率轉(zhuǎn)換，泵浦光參量設(shè)計(jì)以及模式鎖定、Q開關(guān)和窄線寬光纖激光器應(yīng)用）。因此，最近這些年對(duì)于具有保偏特性的雙包層光纖的需求也持續(xù)增加。
    保偏光纖的偏振效應(yīng)取決于纖芯內(nèi)應(yīng)力分布的各向異性，主要來自于“應(yīng)力成分”和“纖芯－包層”之間的熱膨脹系數(shù)的差別。應(yīng)力成分的組成、應(yīng)力成分的位置以及結(jié)構(gòu)決定了光纖的雙折射效力。保偏雙包層光纖的纖芯以及包層的結(jié)構(gòu)與標(biāo)準(zhǔn)的電信用保偏光纖差別非常大。具體表現(xiàn)在，在大模場(chǎng)面積雙包層光纖中，纖芯的大直徑和高的雙折射效應(yīng)是一個(gè)矛盾。因此，盡管無源的保偏光纖已經(jīng)商用化了多年，有源的摻雜的保偏光纖直到最近依然難以大規(guī)模商用。2000年Kliner在世界上第一個(gè)采用摻鐿的保偏雙包層光纖實(shí)現(xiàn)光纖放大器。即便保偏的大模場(chǎng)面積摻鐿光纖可行，仍然有大量的研究工作等待著去完成，以便優(yōu)化應(yīng)力的組份以及結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。2003年報(bào)道國一些該領(lǐng)域的試驗(yàn)或者理論研究成果。

        

這些包括：應(yīng)力成分（ds）的尺寸，應(yīng)力成分（dp）相對(duì)于內(nèi)包層直徑（df）和纖芯直徑（dc）的位置。除了結(jié)構(gòu)因素之外，應(yīng)力棒的組成決定了光纖中可以獲得的雙折射效力的大小。圖3表示應(yīng)力棒尺寸和位置對(duì)于雙折射（以及拍長）的影響。我們可以從中看到，在保持其他參數(shù)不變的情況下，雙折射效率（或者拍長）能夠通過增加應(yīng)力成分的尺寸來增加。類似地，圖3－b表示雙折射效率可以通過將應(yīng)力棒移向纖芯而增加。

  
  
    從理論上講，我們可以通過對(duì)這兩個(gè)結(jié)構(gòu)參數(shù)進(jìn)行適當(dāng)?shù)脑O(shè)計(jì)來獲得大的雙折射效應(yīng)。不過，應(yīng)力成分和纖芯的距離卻對(duì)ds和dp帶來限制。其受限的距離從應(yīng)力成分（di）的內(nèi)部邊界距離可以看出來。如果di小的話，模場(chǎng)范圍以及應(yīng)力成分重疊的概率就大了，其結(jié)果是衰減相應(yīng)地增加，對(duì)激光器或者放大器的信號(hào)波長的彎折損耗也變大。為了避免這一問題的出現(xiàn)，以及保證有一定的安全界限，我們定義了一個(gè)限制條件：di/MFD>5。對(duì)于小纖芯的單模光纖而言，在輸出功率不高的條件下，采用標(biāo)準(zhǔn)的應(yīng)力成分組合并且滿足限制條件，即可以獲得足夠的雙折射效率。對(duì)于應(yīng)用在高功率場(chǎng)合的大纖芯光纖而言，要想在獲得足夠的雙折射效率，且同時(shí)滿足限制條件確實(shí)是一個(gè)挑戰(zhàn)。在這些應(yīng)用場(chǎng)合下，我們可以通過調(diào)整應(yīng)力成分的組合（類似于陀螺光纖的）來實(shí)現(xiàn)比較大的熱膨脹系數(shù)的差別，也就是高的雙折射效率。實(shí)際上，這種優(yōu)化過的，適合不同輸出功率應(yīng)用的摻鐿大模場(chǎng)面積雙包層光纖已經(jīng)大量商用。圖4給出了一個(gè)具有20微米的纖芯以及400微米的內(nèi)包層直徑的光纖切面的圖案。
 


    這些光纖具有0.46的數(shù)值孔徑，含氟聚合物光學(xué)包層封裝在一個(gè)更加通用的電信類包層中（為了防止磨損）。這些光纖具有非常好的斜率效率。圖5給出的例子表明：在一個(gè)混合腔體設(shè)計(jì)以及有一些分離光學(xué)元件和PM光纖的結(jié)構(gòu)中，一個(gè)20微米/400微米結(jié)構(gòu)的摻鐿保偏大模場(chǎng)面積雙包層光纖激光器可以實(shí)現(xiàn)76％的斜率效率，并且獲得高達(dá)95％的偏振消光比，300瓦具有衍射極限光束質(zhì)量的輸出光。這個(gè)光纖是被多個(gè)具有不同波長的激光二極管（940納米和975納米）泵浦的。光纖長度是45米。引人注目的一點(diǎn)在于，該激光器的輸出功率只是受到可用泵浦功率的限制。實(shí)際上，這種設(shè)計(jì)可以獲得的最大的連續(xù)出光功率非常接近于1千瓦。已經(jīng)有報(bào)道成功地采用非保偏的LMA-YDF-20/400光纖實(shí)現(xiàn)800瓦具有衍射極限光束質(zhì)量的激光器。

           
         
    這些高功率激光器試驗(yàn)一般來說是通過采用特定的腔體設(shè)計(jì)以及利用分立的光學(xué)元件（如保偏光束分離器）來實(shí)現(xiàn)的。如果采用結(jié)構(gòu)更為緊湊的“全光纖”設(shè)計(jì)，激光器可能會(huì)表現(xiàn)出更為優(yōu)異的特性（比如，不存在準(zhǔn)直的問題）。在這樣的腔體設(shè)計(jì)中，需要一個(gè)楔形的光纖束、布拉格光柵以及采用特殊的熔接技術(shù)。實(shí)際上，人們正在開發(fā)這樣的“全光纖”激光器。我們最近已經(jīng)成功演示了一個(gè)具有19dB的線偏振輸出的“全光纖激光器”。其輸出為360瓦，光束質(zhì)量近似為衍射極限光束輸出（M2～1.1），且具有穩(wěn)定的窄線寬（0.57納米），發(fā)射譜為1086納米。這一簡單的腔體設(shè)計(jì)利用了33米長的Nufern公司生產(chǎn)的PM-LMA-YDF-20/400，和具有反射率>99%的FBG熔接（形成諧振腔）。雙包層光纖以9厘米的直徑繞成線圈，以消除不需要的偏振模式以及高階橫模。泵浦功率為496瓦（波長915納米，940納米和976納米），出光閾值大約為3瓦，斜率效率為62％。我們的分析結(jié)果標(biāo)明：采用這種設(shè)計(jì)，是可以獲得1千瓦甚至更高的出光功率。這一簡單可靠的全光纖設(shè)計(jì)對(duì)于未來利用多個(gè)光束組合技術(shù)獲得大于10千瓦激光輸出的光纖激光器是尤其具有吸引力的。對(duì)于多項(xiàng)需要高功率線性偏振衍射極限光束質(zhì)量的應(yīng)用來說，也具有發(fā)展?jié)摿Α?
  


4. 結(jié)論
    由于具有非常高的插頭效率，非常好的輸出光束質(zhì)量，以及結(jié)構(gòu)緊湊，可靠，簡單的風(fēng)冷技術(shù)，摻鐿的光纖激光器在最近吸引力大量的注意力。在過去的18個(gè)月內(nèi)，一系列光纖以及泵浦設(shè)計(jì)上的進(jìn)展也加快了連續(xù)或者脈沖出光功率的成指數(shù)倍數(shù)的增加的報(bào)道。研究成果如此之多，以至具有衍射極限的，單偏振態(tài)的，千瓦級(jí)輸出功率的單光纖光纖激光器不久將成為現(xiàn)實(shí)。因此，給予這些設(shè)計(jì)的光纖激光器將會(huì)對(duì)傳統(tǒng)的固體激光器和氣體激光器系統(tǒng)提出挑戰(zhàn)，在工業(yè)，軍事，傳感和材料處理領(lǐng)域。

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