光纖激光器因其獨(dú)有的性能和優(yōu)點(diǎn)受到世界各國(guó)的普遍重視。本文簡(jiǎn)要介紹了光纖激光器的結(jié)構(gòu)、工作原理、分類、特點(diǎn)及其研究進(jìn)展，后對(duì)光纖激光器的發(fā)展前景進(jìn)行了展望。
光纖激光器于1963年發(fā)明，到20世紀(jì)80年代末第一批商用光纖激光器面市，經(jīng)歷了20多年的發(fā)展歷程。光纖激光器被人們視為一種超高速光通信用放大器。光纖激光器技術(shù)在高速率大容量波分復(fù)用光纖通信系統(tǒng)、高光纖傳感技術(shù)和大功率激光等方面呈現(xiàn)出廣闊的應(yīng)用前景和巨大的技術(shù)優(yōu)勢(shì)。
光纖激光器有很多獨(dú)特優(yōu)點(diǎn)，比如：激光閾值低、高增益、良好的散熱、可調(diào)諧參數(shù)多、寬的吸收和輻射以及與其他光纖設(shè)備兼容、體積小等。近年來(lái)光纖激光器的輸出功率得到迅速提高。已達(dá)到10—100kW。作為工業(yè)用激光器,現(xiàn)已成為輸出功率高的激光器。光纖激光器的技術(shù)研究受到世界各國(guó)的普遍重視，已成為國(guó)際學(xué)術(shù)界的熱門前沿研究課題。其應(yīng)用領(lǐng)域也已從目前為成熟的光纖通訊網(wǎng)絡(luò)方面迅速地向其他更為廣闊的激光應(yīng)用領(lǐng)域擴(kuò)展。本文簡(jiǎn)要介紹了光纖激光器的結(jié)構(gòu)、工作原理、分類、特點(diǎn)及其研究進(jìn)展，后對(duì)光纖激光器的發(fā)展前景進(jìn)行了展望。
光纖激光器的結(jié)構(gòu)及工作原理
光纖激光器的結(jié)構(gòu)
和傳統(tǒng)的固體、氣體激光器一樣。光纖激光器基本也是由泵浦源、增益介質(zhì)、諧振腔三個(gè)基本的要素組成。泵浦源一般采用高功率半導(dǎo)體激光器(LD)，增益介質(zhì)為稀土摻雜光纖或普通非線性光纖，諧振腔可以由光纖光柵等光學(xué)反饋元件構(gòu)成各種直線型諧振腔，也可以用耦合器構(gòu)成各種環(huán)形諧振腔泵浦光經(jīng)適當(dāng)?shù)墓鈱W(xué)系統(tǒng)耦合進(jìn)入增益光纖，增益光纖在吸收泵浦光后形成粒子數(shù)反轉(zhuǎn)或非線性增益并產(chǎn)生自發(fā)輻射所產(chǎn)生的自發(fā)輻射光經(jīng)受激放大和諧振腔的選模作用后．終形成穩(wěn)定激光輸出。
光纖激光器增益介質(zhì)為摻稀土離子的光纖芯，摻雜光纖夾在2個(gè)仔細(xì)選擇的反射鏡之間．從而構(gòu)成F—P諧振器。泵浦光束從第1個(gè)反射鏡入射到稀土摻雜光纖中．激射輸出光從第2個(gè)反射鏡輸出來(lái)。
光纖激光器的工作原理
摻稀土元素的光纖放大器促進(jìn)了光纖激光器的發(fā)展，因?yàn)楣饫w放大器可以通過(guò)適當(dāng)?shù)姆答仚C(jī)理形成光纖激光器。當(dāng)泵浦光通過(guò)光纖中的稀土離子時(shí)．就會(huì)被稀土離子所吸收。這時(shí)吸收光子能量的稀土原子電子就會(huì)激勵(lì)到較高激射能級(jí)，從而實(shí)現(xiàn)離子數(shù)反轉(zhuǎn)，反轉(zhuǎn)后的離子數(shù)就會(huì)以輻射形式從高能級(jí)轉(zhuǎn)移到基態(tài)，并且釋放出能量，完成受激輻射。從激發(fā)態(tài)到基態(tài)的輻射方式有2種：自發(fā)輻射和受激輻射。其中，受激輻射是一種同頻率、同相位的輻射，可以形成相干性很好的激光。激光發(fā)射是受激輻射遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)自發(fā)輻射的物理過(guò)程，為了使這種過(guò)程持續(xù)發(fā)生，必須形成離子數(shù)反轉(zhuǎn)．因此要求參與過(guò)程的能級(jí)應(yīng)超過(guò)2個(gè)，同時(shí)還要有泵浦源提供能量。
光纖激光器實(shí)際上也可以稱為波長(zhǎng)轉(zhuǎn)換器．通過(guò)它可以將泵浦波長(zhǎng)光轉(zhuǎn)換為所需的激射波長(zhǎng)光。例如，摻鉺光纖激光器將980nm的泵浦光進(jìn)行泵浦，輸出1550nm的激光。激光的輸出可以是連續(xù)的，也可以是脈沖形式的。激光輸出是連續(xù)的還是脈沖輸出形式主要依賴于激光工作介質(zhì)．如果是連續(xù)形式輸出，激光上能級(jí)的自發(fā)發(fā)射壽命必須高于激光下能級(jí)以獲得較高的粒子數(shù)反轉(zhuǎn)。如果是脈沖形式輸出．激光下能級(jí)的壽命就會(huì)超過(guò)上能級(jí)，此時(shí)就會(huì)以脈沖的形式輸出光纖激光器有2種激射狀態(tài)：三能級(jí)和四能級(jí)激射。
光纖激光器的分類
(1)按增益介質(zhì)分類 :稀土離子摻雜光纖激光器(Nd3+、Er3+．yb3+、Tm3+等，基質(zhì)可以是石英玻璃、氟化鋯玻璃、單晶)。非線性效應(yīng)光纖激光器(利用光纖中的SRS、SBS非線性效應(yīng)產(chǎn)生波長(zhǎng)可調(diào)諧的激光)。在光纖中摻人不同的稀土離子，并采用適當(dāng)?shù)谋闷旨夹g(shù)，即可獲得不同波段的激光輸出。(2)按諧振腔結(jié)構(gòu)分類:F—P腔、環(huán)形腔、環(huán)路反射器光纖諧振腔以及”8”字形腔、DBR光纖激光器、DFB光纖激光器(3)按光纖結(jié)構(gòu)分類: 單和雙包層光纖激光器、光子晶體光纖激光器、特種光纖激光器。(4)按輸出激光類型分類: 連續(xù)光纖激光器．超短脈沖光纖激光器、大功率光纖激光器。(5)按輸出波長(zhǎng)分類:S一波段(1460～1530 nm)、C一波段(1530～1565 nm)、L一波段(1565 1610 nm)。
光纖激光器的特點(diǎn)
在激光振蕩中．將能量集中于諧振腔所選的駐波以產(chǎn)生相干光。在光技術(shù)中，只有光纖和波導(dǎo)能對(duì)光軸方向和橫模方向進(jìn)行三維?？刂啤Ｔ谝詥文９饫w作增益介質(zhì)的光纖激光器中無(wú)競(jìng)爭(zhēng)橫模，因此可進(jìn)行穩(wěn)定的激光振蕩。在由激光引起的熱損傷、受激喇曼散射和受激布里淵散射發(fā)生之前，如果沒(méi)有模的競(jìng)爭(zhēng)，那么只要注入泵浦光，就能增大激光輸出功率。激光的增益和損耗比限制存儲(chǔ)于激光介質(zhì)中的能量轉(zhuǎn)換效率。因光纖本身的損耗低，與其他激光器相比，具有超長(zhǎng)(5—10 m以上)特征的光纖激光器的增益和損耗比大100倍一1000倍。因此，即使進(jìn)行?？刂?也可將存儲(chǔ)能量幾乎無(wú)損耗地轉(zhuǎn)換成激光(光能)。
實(shí)際上，光纖激光器的輸出功率與泵浦光成正比地線性增大，其轉(zhuǎn)換效率達(dá)到85％。在950 nm波段激勵(lì),在1080 nm波段振蕩的鐿量子效率為88％。由此可知，激光功率幾乎無(wú)損耗。例如，芯徑為40 m，長(zhǎng)度為10 m，輸出功率為1.36 kW 的單模光纖激光器，其實(shí)際激光介質(zhì)的體積只不過(guò)為9 mm。這表明，尺寸為2 mmx2 mm~2．5 mm的微芯片激光器能產(chǎn)生1.36 kW的輸出功率。
千瓦級(jí)光纖激光器的體積與微芯片激光器相同
光纖激光器具有無(wú)競(jìng)爭(zhēng)模、冷卻效率和激光效率較高的優(yōu)異特性。就具有超長(zhǎng)增益泵浦和低損耗特性的光纖激光器而言，如果予以泵浦功率，則僅端面反射很容易實(shí)現(xiàn)激光振蕩，因此技術(shù)開(kāi)發(fā)的關(guān)鍵在于如何注入泵浦光。
光纖激光器的供應(yīng)商美國(guó)IPG和SPI公司現(xiàn)已開(kāi)發(fā)出一種將單條LD進(jìn)行光纖耦合，然后注入雙包層中第l包層的方式。這是一種以長(zhǎng)壽命、高亮度光纖耦合型LD作為基本部件的佳方式。另外，科研人員還提出了光纖盤形方式，這種方式適用于光纖傳輸光的LD泵浦固體激光元件，該泵浦方式同樣可以滿足放大千瓦以上輸出功率的要求。光纖激光器使用光纖布喇格衍射光柵(FBG)。對(duì)石英光纖照射紫外光，寫入調(diào)制折射率便形成一維FBG。與普通的衍射光柵相比，這種折射率略差的光柵寫入長(zhǎng)度>l cm，幾乎無(wú)損耗，可成為選擇多波長(zhǎng)的反射鏡。因此，即使組成多級(jí)疊加FBG激光諧振腔，也能保持高效率的能量轉(zhuǎn)換。
喇曼光纖激光器，通過(guò)三級(jí)FBG諧振腔在多波長(zhǎng)移位的情況下，也能獲得近50％的轉(zhuǎn)換效率。若將光纖連接到環(huán)上，使雙向傳輸?shù)墓獍l(fā)生干涉以形成動(dòng)態(tài)衍射光柵?？蒲腥藛T以用于重力波檢測(cè)的激光為基礎(chǔ)，成功研制出單頻光纖激光器。Yb光纖激光器具有準(zhǔn)三能級(jí)的能量結(jié)構(gòu)，所以未被激發(fā)時(shí)，略有基態(tài)吸收。左側(cè)長(zhǎng)為16 m的環(huán)形反射鏡等于因光干涉而形成3 000萬(wàn)個(gè)吸收型衍射光柵，可進(jìn)行單縱模振蕩，其譜線寬度僅為2 kHz。在單頻T作時(shí)，輸出穩(wěn)定性極好，3 h平均穩(wěn)定性僅為0.8％。除以純模振蕩的光纖激光器達(dá)不到這種穩(wěn)定性外，已商品化的光纖激光器的穩(wěn)定性為2％。利用光纖熔接技術(shù)，可通過(guò)光纖光學(xué)系統(tǒng)將激光全部耦合，這也是其優(yōu)點(diǎn)之一。未來(lái)在宇宙空間進(jìn)行重力波檢測(cè)時(shí)，這種全光纖窄帶主振動(dòng)功率放大(MOPA)系統(tǒng)有望發(fā)揮更大作用。
光纖激光全光纖窄帶MOPA系統(tǒng)
光纖激光器具有光束質(zhì)量好和輸出功率穩(wěn)定性高的特點(diǎn)，因此10—100 W級(jí)的小型單模光纖激光器在工業(yè)領(lǐng)域的應(yīng)用價(jià)值較高。從理論上解釋，單模光纖發(fā)出的激光應(yīng)是點(diǎn)光源，如果充分利用光學(xué)系統(tǒng)．則可用理論極限的光斑直徑進(jìn)行微細(xì)加工。利用這種高質(zhì)量光束很容易實(shí)現(xiàn)掩模、微細(xì)焊接和微細(xì)加工等．并可在形狀記憶合金上加工復(fù)雜網(wǎng)格制成冠脈支架等。無(wú)排斥性的激光器適于對(duì)厚度為0.2 mm的形狀記憶合金細(xì)管進(jìn)行微米級(jí)加工。與其他激光器相比，光纖激光器具有外形緊湊體積小、高輸出功率穩(wěn)定、不需水冷、綜合激光效率高達(dá)20％一25％,且可用墻壁電等特點(diǎn)?？梢哉J(rèn)為．光纖激光器是一種激光輸出極其方便的激光器。                         光纖激光器的發(fā)展前景
光纖激光器以光纖作為波導(dǎo)介質(zhì)，耦合效率高，易形成高功率密度，散熱效果好，無(wú)需龐大的制冷系統(tǒng)，具有高轉(zhuǎn)換效率、低閾值、光束質(zhì)量好和窄線寬等優(yōu)點(diǎn)。光纖激光器通過(guò)摻雜不同的稀土離子可實(shí)現(xiàn)380—3 900 nm波段范同的激光輸出，通過(guò)光纖光柵諧振腔的調(diào)節(jié)可實(shí)現(xiàn)波長(zhǎng)選擇且可調(diào)諧。與傳統(tǒng)的固體激光器相比，光纖激光器體積小，壽命長(zhǎng)，易于系統(tǒng)集成，在高溫高壓，高震動(dòng)，高沖擊的惡劣環(huán)境中皆可正常運(yùn)轉(zhuǎn)，其輸出光譜具有更高的可調(diào)諧性和選擇性醫(yī)療及生物市場(chǎng)的強(qiáng)勁需求驅(qū)動(dòng)了飛秒(超快)激光技術(shù)在分析儀器應(yīng)用方面的快速發(fā)展。人們正在努力對(duì)活體細(xì)胞、組織以及病毒轉(zhuǎn)移特質(zhì)進(jìn)行實(shí)時(shí)測(cè)量和分析．
這些應(yīng)用對(duì)人類攻克癌癥等方面的研究至關(guān)重要。超快激光使得在對(duì)患者進(jìn)行快速，非介入性診斷時(shí)可以取得實(shí)時(shí)信息?，F(xiàn)有超快激光的制造技術(shù)成本太高，系統(tǒng)的尺寸也非常龐大，這些制約了市場(chǎng)的發(fā)展。光纖激光器的很大一部分應(yīng)用可以走到超快激光．而且光纖激光器的生產(chǎn)廠商也著重從尺寸小巧方面推薦光纖的應(yīng)用。生命和健康科學(xué)是一個(gè)非常強(qiáng)勁的市場(chǎng)．因?yàn)槟抢飼?huì)永遠(yuǎn)不斷地出現(xiàn)新的應(yīng)用，其中很多是基于激光的應(yīng)用，并且醫(yī)藥也在不斷尋求改進(jìn)。激光不再只局限為一種外科手術(shù)工具，將會(huì)更加廣泛地應(yīng)用于醫(yī)學(xué)診斷(如細(xì)胞影像)、藥檢、DNA排序、細(xì)胞分類以及蛋白質(zhì)分析等方面。激光現(xiàn)已廣泛應(yīng)用于人們前所未聞的領(lǐng)域中。
光纖激光器的發(fā)展趨勢(shì)將體現(xiàn)在以下幾個(gè)方面：(1)提高光纖激光器的本身性能：如何提高輸出功率和轉(zhuǎn)換效率，優(yōu)化光束質(zhì)量，縮短增益光纖長(zhǎng)度，提高系統(tǒng)穩(wěn)定性并使其更加小巧緊湊，上述目標(biāo)將是未來(lái)光纖激光器領(lǐng)域研究的重點(diǎn)；(2)新型光纖激光器的研制：在時(shí)域方面，具有更小占空比的超短脈沖鎖模光纖激光器一直是激光領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)。高功率飛秒量級(jí)脈沖光纖激光器一直是人們長(zhǎng)期追求的目標(biāo)，該領(lǐng)域研究的突破不僅可以給光通信時(shí)分復(fù)用(OTDM)提供理想的光源，而且可以有效帶動(dòng)激光加工、激光打標(biāo)及激光加密等相關(guān)產(chǎn)業(yè)的發(fā)展；在頻域方面，寬帶輸出并可調(diào)諧的光纖激光器將成為研究熱點(diǎn)。近年來(lái)，一種采用ZEBLAN材料(zr，Ba，La，Al，Nd)為激光介質(zhì)的非線性光纖激光器引起了人們的重視。這種激光器具有相當(dāng)寬的帶寬和低損耗．可實(shí)現(xiàn)波長(zhǎng)上轉(zhuǎn)換幾個(gè)波段?？梢灶A(yù)見(jiàn)，隨著相關(guān)技術(shù)的完善，光纖激光器將向更廣闊的領(lǐng)域發(fā)展，并有可能成為替代固體激光器和半導(dǎo)體激光器的新一代光源，形成一個(gè)新興的產(chǎn)業(yè)。
綜上所述，光纖激光器技術(shù)是一個(gè)正在得到高度重視和迅速發(fā)展的新型技術(shù)研究熱點(diǎn)，所涉及的科學(xué)研究和產(chǎn)品應(yīng)用領(lǐng)域十分廣泛，具有巨大的潛在應(yīng)用價(jià)值和廣闊的市場(chǎng)前景。隨著各種類型光纖激光器技術(shù)的逐步成熟和商業(yè)化應(yīng)用，將對(duì)相關(guān)領(lǐng)域的發(fā)展產(chǎn)生巨大的推動(dòng)作用，同時(shí)也將引起相關(guān)技術(shù)領(lǐng)域的深刻變革。