摘 要：本文介紹了大功率全光纖結(jié)構(gòu)光纖激光器的結(jié)構(gòu)、特點和優(yōu)勢，論述了全光纖激光器研制的關(guān)鍵技術(shù)，給出了研究結(jié)果，討論了光纖激光器產(chǎn)業(yè)化發(fā)展的方向，并對我國光纖激光器產(chǎn)業(yè)化發(fā)展進(jìn)行了展望。 關(guān)鍵詞：全光纖激光器，包層泵浦耦合，光纖光柵，長壽命，大功率，產(chǎn)業(yè)化 1 引言 新世紀(jì)開始后，大功率光纖激光器的飛速發(fā)展令人振奮，不但譜寫了激光技術(shù)發(fā)展的新篇章，為激光產(chǎn)業(yè)的發(fā)展注入了新的活力，而且將開辟激光應(yīng)用的新時代。 在世界范圍內(nèi)，光纖激光器的技術(shù)方案已經(jīng)表現(xiàn)出全光纖結(jié)構(gòu)的明顯趨向，這種光路全部由光纖和光纖元件構(gòu)成的全光纖激光器，從激光的產(chǎn)生到激光的傳輸，全部在柔軟的光纖中進(jìn)行，從而表現(xiàn)出了眾多顯著的優(yōu)越性。 北京光電技術(shù)研究所研制的30W單模連續(xù)全光纖激光器代表了我國目前全光纖激光器的最好水平，該全光纖激光器的研制成功，標(biāo)志著我國光纖激光器產(chǎn)業(yè)化技術(shù)的一次重大突破。 全光纖激光器是光纖激光器實用化和產(chǎn)業(yè)化的最佳途徑，也是目前唯一進(jìn)入商業(yè)化和產(chǎn)業(yè)化的技術(shù)方案。發(fā)展全光纖激光器涉及雙包層光纖、包層泵浦耦合、光纖光柵、大功率多模泵浦半導(dǎo)體激光器和光纖激光器整機(jī)5大關(guān)鍵技術(shù)，這5大關(guān)鍵技術(shù)中有4大關(guān)鍵技術(shù)與光纖技術(shù)密切相關(guān)。 2 全光纖激光器的結(jié)構(gòu)、特點和優(yōu)勢 2.1 全光纖激光器的典型光路結(jié)構(gòu)和光纖功率合成技術(shù) 圖1A是一種典型的單端泵浦連續(xù)單模大功率全光纖激光器的光路示意圖。單端泵浦結(jié)構(gòu)簡單，但有源區(qū)增益呈指數(shù)衰減，分布極不均勻，適合功率不是非常高的情況。圖1B為典型的雙向泵浦連續(xù)單模大功率全光纖激光器的示意圖。雙向泵浦結(jié)構(gòu)相對復(fù)雜，但有源區(qū)增益分布均勻性得到改善，可實現(xiàn)更高功率輸出。目前全光纖激光器單模連續(xù)輸出功率已經(jīng)達(dá)到2000W。 圖2為采用光纖功率合成技術(shù)制作多模光纖激光器的光路示意圖，采用這種技術(shù)，可將多個單模連續(xù)光纖激光器的輸出功率合成起來，獲得數(shù)萬瓦或更高的光功率輸出并且光束質(zhì)量良好。 人們正在發(fā)展的相干合成技術(shù)，有望采用這種方式實現(xiàn)光纖激光器的相干合成，實現(xiàn)光纖激 光器萬瓦量級的單模連續(xù)輸出。2.2 特點和優(yōu)勢 全光纖激光器具有許多顯著特點，這使其在眾多方面展現(xiàn)出明顯的優(yōu)勢： 1） 增益介質(zhì)的表面積/體積比大 光纖激光器采用光纖做增益介質(zhì)，具有很大的表面積/體積比，這使其具有非常好的散熱性能，因此，即使非常高功率的光纖激光器，增益介質(zhì)也不會受到熱損 害，一般無需對增益介質(zhì)采取特別的散熱措施，而其他種類的激光器，增益介質(zhì)的散熱問題是需要重點考慮的，因此，該特點是光纖激光器所獨有的。 2） 優(yōu)異的雙波導(dǎo)限制機(jī)制 高功率全光纖激光器采用雙包層有源光纖，這種雙包層光纖是一種雙波導(dǎo)結(jié)構(gòu)，高功率的多模泵浦光被限制在直徑較大的內(nèi)包層中傳輸，為采用高功率廉價的多模 泵浦光提供了條件，信號激光在直徑很小的具有圓對稱波導(dǎo)結(jié)構(gòu)的纖芯中產(chǎn)生和傳輸，在小芯徑纖芯波導(dǎo)的限制下，信號激光可獲得理想的光束質(zhì)量和極小的出光光 斑直徑，這是全光纖激光器獨具吸引力的重要特點，在高功率激光器中，目前還沒有一種激光器能夠超越。優(yōu)異的光束質(zhì)量和極小的出光光斑直徑在激光應(yīng)用中具有 非常重要的意義，可使后續(xù)應(yīng)用設(shè)備的光學(xué)系統(tǒng)更簡單，體積更小，工作距離更長，激光聚焦光斑更小，工作效率更高，加工深度更深，加工質(zhì)量更好等等。 3） 固有的全封閉柔性光路 全光纖激光器的光路全部由光纖和光纖元件構(gòu)成，光纖和光纖元件之間采用光纖熔接技術(shù)連接，整個光路完全封閉在光纖波導(dǎo)中。這種天然的全封閉性光路一旦形 成，無需另加隔離措施即可自成體系，實現(xiàn)與外界環(huán)境的隔離。由于光纖細(xì)小并具有很好的柔性，光路可盤繞和沿細(xì)小的管道穿行，因此，全光纖激光器能夠在比較 惡劣的環(huán)境下工作，輸出光可穿過狹小的縫隙或沿細(xì)小的管道進(jìn)行遠(yuǎn)距離傳輸。這些特點在工業(yè)應(yīng)用中優(yōu)勢巨大，激光器不但能適應(yīng)比較惡劣的工作環(huán)境，而且可使 激光器遠(yuǎn)離出光點，可將激光引入到以前很難到達(dá)的地方，可非常容易移動和改變出光點，實現(xiàn)多加工點共用一臺激光器，可使激光加工設(shè)備的設(shè)計具有更高的靈活 性等等。 4） 光路具有免維護(hù)特性 如前所述，全光纖激光器的光路全部由光纖和光纖元件構(gòu)成，光纖和光纖元件之間 采用光纖熔接技術(shù)連接，因此，光路一旦完成，即形成一個整體，實踐證明，這樣形成的連接結(jié)構(gòu)和連接參數(shù)將長期保持穩(wěn)定，如果光纖和光纖元件本身能有長期穩(wěn) 定性，整個光路將長期穩(wěn)定，無需維護(hù)。需要特別指出的是，這種免維護(hù)的特性并非不可維護(hù)和維修，在需要的情況下，整個光路的維護(hù)和維修同樣可以進(jìn)行，因 此，與氣體和固體等激光器需要頻繁的維護(hù)和維修相比，全光纖激光器光路的免維護(hù)特性異常優(yōu)異，而與半導(dǎo)體激光器的不可維修性相比，全光纖激光器的可維護(hù)性 和可維修性又表現(xiàn)出明顯的優(yōu)勢。 5） 單條寬發(fā)光區(qū)長壽命多模泵浦激光器 全光纖激光器的光路具有長期的穩(wěn)定性， 因此，需要與之匹配的長壽命泵浦激光器才能獲得整機(jī)的長壽命。發(fā)展低價格的長壽命多模泵浦激光器是發(fā)展長壽命光纖激光器的重點。研究表明，半導(dǎo)體激光器的 失效率與有源區(qū)光功率密度的m次方成正比，m的取值范圍在2~3之間；與有源區(qū)電流密度的n次方成正比，n的取值范圍在3~6之間；與有源區(qū)的溫度呈指數(shù) 依賴關(guān)系，其數(shù)學(xué)表達(dá)式如下：其中F為失效率，I為有源區(qū)的光功率密度，J為有源區(qū)的電流密度，EA為激活能，取值在0.4~0.7之間，KB為波爾茲曼常數(shù)，T為有源區(qū)溫度。 可見，降低有源區(qū)光功率密度、電流密度和有源區(qū)工作溫度對降低失效率有顯著意義。單條寬發(fā)光區(qū)多模泵浦激光器就是根據(jù)這一原理而設(shè)計的一種長壽命半導(dǎo)體 泵浦激光器，其條寬一般取100mm，基本上已接近105/125多模光纖的纖芯直徑，其有源區(qū)條寬是列陣半導(dǎo)體激光器的幾十倍，對單一發(fā)光條來說，同樣 輸出功率和同樣注入電流情況下，其光功率密度和電流密度將降低幾十倍，有源區(qū)溫度也會有所降低，在忽略其他因素的前提下，單條寬發(fā)光區(qū)半導(dǎo)體泵浦激光器降 低失效率的作用是異常顯著的。目前尾纖輸出功率大于5W的單條寬發(fā)光區(qū)半導(dǎo)體泵浦激光器的平均無故障工作時間已經(jīng)達(dá)到50萬小時以上。 6） 壽命長 從前面的討論我們已經(jīng)知道，采用單條寬發(fā)光區(qū)半導(dǎo)體泵浦激光器作為光纖激光器的泵浦源，全光纖激光器將具備長壽命的特點，因此，制作具有幾十萬小時的長壽命光纖激光器在技術(shù)上已經(jīng)可行。 7） 體積小重量輕 全光纖激光器由于光路可盤繞，光路占用空間較小，在采用單條寬發(fā)光區(qū)半導(dǎo)體泵浦激光器做泵浦源的情況下，泵浦激光器可分散安裝，具有很好的散熱特性，在 安裝密度不高的情況下，采用風(fēng)冷即可，在安裝密度較高的情況下，只需少量通水即可滿足散熱要求，因此，全光纖激光器的體積比同樣輸出功率的氣體和固體激光 器系統(tǒng)更小，重量更輕。 8） 輸出功率大 光纖激光器輸出功率在突破100W以后，輸出功率水平飛速增長，只用了 三年多時間，達(dá)到的輸出功率水平已經(jīng)超過了YAG固體激光器和CO2氣體激光器用三十多年達(dá)到的輸出功率水平，目前光纖激光器的實驗室水平已經(jīng)超過10萬 瓦，3萬瓦的光纖已經(jīng)商品化，已經(jīng)銷售的光纖激光器，輸出功率為17000W。可以預(yù)見，光纖激光器將成為長時間連續(xù)輸出功率最大的激光器。 9） 節(jié)水節(jié)電節(jié)成本 光纖激光器具有優(yōu)異的熱性能，電光效率較高，節(jié)水節(jié)電，尤其重要的是可長期免維護(hù)使用，可節(jié)約大量維護(hù)經(jīng)費和時間，提高工作效率。 10） 造價不斷降低 全光纖激光器的光路全部由光纖和光纖元件構(gòu)成，由于原料易得，在技術(shù)、產(chǎn)品和市場成熟之后，可大幅度降低成本。除光路部分外，半導(dǎo)體泵浦激光器是構(gòu)成光纖激光器成本的主要部分，從光通信的發(fā)展歷史和經(jīng)驗來看，隨著技術(shù)的發(fā)展和市場容量的不斷擴(kuò)大，大幅度降低半導(dǎo)體泵浦激光器的成本將成為必然趨勢。 3 5大關(guān)鍵技術(shù)和發(fā)展趨勢 3.1 特種光纖技術(shù) 全光纖激光器需要使用雙包層有源光纖、雙包層光敏光纖、能量傳輸光纖等多種特種光纖，隨著輸出功率的不斷提高，對特種光纖的技術(shù)要求也越來越高，因此， 特種光纖的發(fā)展將在光纖激光器的發(fā)展中扮演重要角色。以光子晶體光纖為代表的新一代特種光纖會在光纖激光器的發(fā)展中逐步得到應(yīng)用。特種光纖的發(fā)展，將使有 源光纖的增益更高、承受的功率密度更大、對泵浦光的吸收更有效；將使光柵的制作更容易、光柵的穩(wěn)定性更好、使光柵在光纖激光器中的用途更廣泛；將使能量傳 輸光纖能夠傳輸更高的功率，能夠?qū)⒏吖β始す鈧魉透h(yuǎn)的距離，能夠傳輸?shù)牟ㄩL范圍不斷拓展；將使泵浦耦合更加容易實現(xiàn)，能承受的泵浦功率更高，損耗更小等 等。 3.2 包層泵浦耦合技術(shù) 全光纖激光器的包層泵浦耦合技術(shù)對決定光纖激光器性能和水平具有不可估量的作用。 用于大功率全光纖激光器的光纖泵浦耦合器件和光纖功率合成器件，均在很高的功率下條件下使用，其耦合效率必須很高，損耗必須很小，承受的功率必須很大，并 且，輸入光的路數(shù)還需要盡可能的多。在如此眾多的極限條件要求下，制作優(yōu)質(zhì)的泵浦耦合器件和功率合成器件具有很高的難度，不過，實現(xiàn)的方式方法也多種多 樣，這是一項富有挑戰(zhàn)性的技術(shù)。從大功率全光纖激光器的發(fā)展趨勢來看，還要求泵浦耦合器件在將泵浦光耦合到內(nèi)包層的同時，盡量不影響和損害雙包層光纖的纖 芯，因為只有這樣才能在不影響信號激光的產(chǎn)生和傳輸?shù)那闆r下實現(xiàn)級聯(lián)泵浦，實現(xiàn)超大功率的輸出。本文認(rèn)為，發(fā)展對纖芯影響最小的泵浦耦合技術(shù)是泵浦耦合器 件的發(fā)展方向。對于光纖功率合成器件，所追求的目標(biāo)就是不斷提高合成的光功率。 3.3 光纖光柵技術(shù) 光纖光柵在全光纖激光器中，目前的作用是反射纖芯中的信號激光器形成諧振腔，不過，隨著光纖激光器技術(shù)的進(jìn)一步發(fā)展，光纖光柵在光纖激光器中會有新的用途，從而對光纖光柵的制作技術(shù)提出新的挑戰(zhàn)，其中值得關(guān)注的方向之一，是在大芯徑多模光纖上制作高質(zhì)量的光纖光柵。 3.4 半導(dǎo)體泵浦激光器技術(shù) 半導(dǎo)體泵浦激光器是光纖激光器的關(guān)鍵器件，對光纖激光器的可靠性、壽命和制作成本等影響至關(guān)重要，發(fā)展單條寬發(fā)光區(qū)長壽命半導(dǎo)體泵浦激光器已經(jīng)成為光纖 激光器用半導(dǎo)體泵浦激光器的一種趨勢，不斷提高單個激光器的輸出功率、不斷降低成本和進(jìn)一步提高可靠性是重點，其中改進(jìn)和創(chuàng)新封裝結(jié)構(gòu)應(yīng)該是核心工作，因 為目前封裝成本所占比重還很高。 3.5 光纖激光器整機(jī)技術(shù) 全光纖激光器的整機(jī)設(shè)計和制作所涉及的知識、內(nèi)容、 技術(shù)、工藝、經(jīng)驗和Know How較多，是全光纖激光器設(shè)計和制作最核心、最關(guān)鍵的技術(shù)，尤其在新型大功率全光纖激光器的發(fā)展歷史還相當(dāng)短暫的今天，還有大量開創(chuàng)性的工作需要進(jìn)行。 進(jìn)行全光纖激光器的整機(jī)設(shè)計和制作，不但需要面向應(yīng)用進(jìn)行合理設(shè)計，而且肩負(fù)著整機(jī)結(jié)構(gòu)和方案的改進(jìn)創(chuàng)新重任、肩負(fù)著各重要部件和關(guān)鍵技術(shù)的改進(jìn)和創(chuàng)新重 任。目前在世界范圍內(nèi)，進(jìn)行光纖激光器整機(jī)設(shè)計和制作的廠家均在創(chuàng)新上有大量的投入。 4 我國實用化全光纖激光器的研制進(jìn)展 北京光電技術(shù)研究所是我國最早從事大功率全光纖激光器研制的單位之一，在實用化全光纖激光器的研制方面處于國內(nèi)前列，已經(jīng)研制成功的30W單模連續(xù)全光 纖激光器，各項技術(shù)指標(biāo)處于國內(nèi)同類產(chǎn)品的領(lǐng)先水平，2005年4月28日由國家計量科學(xué)研究院對我們研制的產(chǎn)品進(jìn)行了測試，2005 年7月12日通過了北京市科委組織的科技成果鑒定，鑒定之前，該激光器送用戶進(jìn)行了現(xiàn)場使用，在鑒定會現(xiàn)場，用該激光器進(jìn)行了現(xiàn)場切割不銹鋼薄板的演示。 這是由我國自主研制開發(fā)的第一臺能夠在普通環(huán)境下投入使用的大功率光纖激光器。由中科院物理所許祖諺院士、北京大學(xué)龔旗煌教授、清華大學(xué)張書煉教授、北京 工業(yè)大學(xué)李港教授、中國電子科技集團(tuán)公司第11研究所張世文研究員、北京理工大學(xué)辛建國教授、首都師范大學(xué)方炎教授組成的專家組對該項成果給予了高度評 價。 4.1 方案和結(jié)構(gòu) 所研制的全光纖激光器采用圖1A所示的光路結(jié)構(gòu)，使用單條寬發(fā)光區(qū)長壽命半導(dǎo)體多模泵浦激光器作泵浦源，光路設(shè)計適合60W以內(nèi)單模連續(xù)工作，實際使用低于50W的泵浦功率獲得30W以上單模連續(xù)輸出。 光路部分發(fā)熱較少，僅需要考慮泵浦泄漏可能引起的熱問題，散熱主要針對泵浦激光器，在整機(jī)連續(xù)輸出30W激光功率時，泵浦激光器的熱耗散功率約60W，在10℃左右的溫升條件下，合理尺寸的散熱片自然散熱即可，如果在更高的輸出功率下工作，加風(fēng)扇冷卻即可。 整機(jī)設(shè)計重點考慮實用化和商品化，重點發(fā)展產(chǎn)業(yè)化技術(shù)，產(chǎn)品設(shè)計壽命大于5萬小時，光路具有免維護(hù)特性。 4.2 參數(shù)指標(biāo) 中國計量科學(xué)研究院測試結(jié)果如下： 峰值波長：1085.378nm； 光譜半寬：0.302nm； 輸出功率：33.3W； 輸出光模式：基模； M2：1.103 MX2：1.148 MY2：1066； 光光效率69.2%； 電光效率：30.4%。 圖3是我們研制的全光纖激光器光束質(zhì)量測試的部分結(jié)果。5 我國光纖激光器產(chǎn)業(yè)化發(fā)展現(xiàn)狀分析 我國商用光纖激光器目前全部依賴進(jìn)口，原因是我們還沒有實現(xiàn)光纖激光器的商品化和產(chǎn)業(yè)化。 我國光纖激光器的研制其實并不落后，已經(jīng)有好幾個單位實現(xiàn)了連續(xù)200W以上的輸出功率，但我國光纖激光器的產(chǎn)業(yè)化工作明顯滯后。下面分析一下我國光纖激光器產(chǎn)業(yè)化發(fā)展滯后的原因。 前文已經(jīng)提到，發(fā)展全光纖激光器需要5大關(guān)鍵技術(shù)，不難看出，這5大關(guān)鍵技術(shù)除半導(dǎo)體泵浦激光器外，其他4大關(guān)鍵技術(shù)全部與光纖技術(shù)密切相關(guān)，準(zhǔn)確的說，是與能量光纖技術(shù)密切相關(guān)。能量光纖技術(shù)是以信號光纖技術(shù)為基礎(chǔ)發(fā)展起來的，而信號光纖技術(shù)主要是為光纖通信服 務(wù)的，因此，能量激光和光通信這兩個技術(shù)領(lǐng)域通過光纖這種特殊的媒質(zhì)聯(lián)系起來，使從事光纖和光纖器件研制和生產(chǎn)的單位能夠深入地介入這兩個技術(shù)領(lǐng)域并成為 其核心力量。在光通信走入低谷的時候，適逢光纖激光器取得歷史性突破之時，國外許多從事光通信光纖器件研制生產(chǎn)的單位開始轉(zhuǎn)向能量光纖器件的研制和開發(fā)， 以尋求新的發(fā)展機(jī)遇、拓展生存空間。這些投入能量光纖激光器開發(fā)的單位目前已經(jīng)成為光纖激光器發(fā)展的重要力量，為發(fā)展新型全光纖激光器作出了巨大貢獻(xiàn)。 我國進(jìn)行光纖器件生產(chǎn)和開發(fā)的單位雖然非常多，但總體技術(shù)水平較弱，在光通信走入低谷的時候，相關(guān)單位基本上只能選擇在本行業(yè)苦苦支撐或關(guān)閉生產(chǎn)線兩種 方式，無力投入巨大資源進(jìn)行能量光纖器件的研制和開發(fā)，所以，當(dāng)全光纖激光器飛速發(fā)展對能量光纖器件提出迫切需求的時候，我國在這方面基本上還是一片空 白。對于我國最早從事光纖激光器研制的單位來說，面對國內(nèi)的這種局面，發(fā)展全光纖激光器基本上沒有基礎(chǔ)可言，因此，透鏡整形聚焦端面泵浦外腔結(jié)構(gòu)的方案成 為現(xiàn)實選擇。這種結(jié)構(gòu)很接近傳統(tǒng)的全固態(tài)激光器，對光纖技術(shù)的依賴程度很低，采用非光纖技術(shù)即可制作。但是，實踐證明，光纖激光器只有采用全光纖結(jié)構(gòu)才能 充分體現(xiàn)整體的一致性、完整性、和諧性和匹配性，采用充分展現(xiàn)光纖激光器的優(yōu)勢，因此，全光纖結(jié)構(gòu)方案更加符合光纖激光器發(fā)展的本質(zhì)規(guī)律，所以，在世界范 圍內(nèi)，全光纖激光器成為主流方案有其必然性。 全光纖激光器需要能量激光器技術(shù)與光纖技術(shù)有機(jī)結(jié)合起來，從某種程度上來說，光纖技術(shù)在 光纖激光器的發(fā)展中所占的比重很大，因此，能量激光技術(shù)和能量光纖技術(shù)是光纖激光器發(fā)展不可或缺的兩條腿。目前，我國從事光纖器件研制和生產(chǎn)的單位仍然主 要集中在光纖通信的產(chǎn)業(yè)鏈條之中，涉足能量激光技術(shù)的很少，這是我國光纖激光器發(fā)展面臨的巨大問題。本文希望我國從事光纖器件研制和生產(chǎn)的單位突破行業(yè)界 限，關(guān)注光纖激光器的發(fā)展，積極參與新型能量光纖器件的研制開發(fā)，為我國光纖激光器國產(chǎn)化和產(chǎn)業(yè)化作出貢獻(xiàn)。應(yīng)該看到，新型大功率全光纖激光器具有廣闊的 市場，發(fā)展能量型光纖器件，對于光纖器件研制生產(chǎn)單位是大有作為的。還應(yīng)該看到，國外光纖激光器取得突飛猛進(jìn)的發(fā)展也是最近幾年的事情，盡管我國目前與國 外的水平差距很大，但是落后的時間并不長，只要我國光纖器件的研制生產(chǎn)單位積極開展相關(guān)產(chǎn)品的研制開發(fā)工作，我們是能夠在光纖激光器的研制生產(chǎn)方面站在國 際前列的。 6 結(jié)束語 我國光纖激光器的發(fā)展與國際先進(jìn)水平相比，差距較大，但我們已經(jīng)起步，北京光電技術(shù)研究所已經(jīng)研制成功我國首臺能夠在一般環(huán)境下應(yīng)用的新型大功率全光纖激光器，邁出了我國光纖激光器實用化和產(chǎn)業(yè)化的關(guān)鍵一步。 全光纖激光器5大關(guān)鍵技術(shù)中，有4大關(guān)鍵技術(shù)與光纖技術(shù)相關(guān)，可見，我國光纖器件研制生產(chǎn)單位應(yīng)該成為我國光纖激光器發(fā)展的主力軍和生力軍，只有這樣，我國光纖激光器國產(chǎn)化和產(chǎn)業(yè)化的目標(biāo)才能早日實現(xiàn)。