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光纤激光器的输出功率日益提升

光纤激光器的输出功率日益提升 2011年12月03日 来源： 随着单模光纤激光器的功率达到10kW、多模光纤激光器的功率达到50kW，光纤激光器的应用正在突破工业领域进入到军事应用中，成为战场上部署高能激光武器的候选产品。在激光技术发展的早期，获得高功率激光输出的最好方法是从大体积激光材料中提取能量。目前，仍然有一些应用在采用这种方法，比如在利弗莫尔国家实验室的国家点火装置(NIF)中，就利用了大块玻璃放大器把脉冲放大到1.8MJ。但是对于很多工业应用，掺镱光纤已经成为高功率激光介质的理想之选。自从Elilas Snitzer于1963年发明第一台光纤激光器以来，光纤激光器在功率提升方面已经走过了很长的历程。2009年6月，IPG Photonics 公司在慕尼黑激光展上和由定向能专业协会（DEPS）主办的固体激光器与半导体激光器大会上发布了输出功率达10kW的连续波单模光纤激光器。IPG Photonics 公司工业市场部副总裁Bill Shiner说，IPG已经生产出了输出功率高达50kW的多模光纤激光器，而且Raytheon公司已经测试其作为激光武器的潜在应用。但是IPG目前的主要业务还是面向工业材料加工应用，从切割用于太阳能电池的硅晶圆到金属板的机器人焊接。为什么选择光纤激光器？类似于其他二极管泵浦的激光器，光纤激光器本质上是把低质量的泵浦激光转换为更高质量的激光输出，这些高质量的激光输出可应用于医疗、材料加工以及激光武器等诸多领域。在实现高功率输出方面，光纤激光器具有两个重要优势：一是从泵浦光到高质量输出光的过程，具有较高的转换效率；二是具备良好的散热能力。光纤激光器之所以能获得较高的效率，主要得益于二极管泵浦、增益掺杂介质的精心选择以及光纤的优化设计。高功率光纤激光器使用的光纤，包含一个掺杂增益介质的内层纤芯和一个限制泵浦光的外层纤芯。泵浦光可以通过光纤的端面进入到外层纤芯，或沿着光纤的侧面以与光纤轴接近平行的方向耦合进外层纤芯（见图1）。后一种方法称为“侧面泵浦”，但并不是说泵浦光像体激光器（bulk laser）一样横向进入激光腔。一旦泵浦光被导入到外层纤芯后，就会沿着光纤重复通过内层纤芯从而实现高效泵浦。随后，受激辐射沿着内层纤芯传导，并不断积累能量输出高强度激光。

图1：二极管泵浦的双包层光纤激光器可以采用端面泵浦或侧面泵浦，但是光束必须以一定的角度接近光纤的轴，使泵浦光（蓝线）可以在外层纤芯中传导。激光增益介质被掺杂在内层纤芯中（红线）。

大多数光纤激光器的掺杂物都是镱，这是因为选择镱能获得较小的量子损耗（泵浦光子和输出光子的能量差），当用975nm泵浦光产生1035nm输出光时，其量子损耗值仅为6%。对比而言，用808nm泵浦的输出为1064nm的掺钕激光器的量子损耗则高达20%。较小的量子损耗使掺镱光纤激光器的光-光泵浦效率超过60%，此外加上泵浦二极管具有50%的电-光转换效率，这意味着光纤激光器的总转换效率可以达到30%。光纤结构具有较大的单位体积表面积，这有助于光纤激光器散热，但是即使使用水冷，热耗散也会限制其性能。五年前研究人员希望通过增加掺杂水平和内层纤芯的尺寸来输出更高的功率，但是南安普顿大学的Johan Nilsson表示，在高平均功率下，由于残留热量很难从光纤中带走，“热效应的限制又回来了”。单模和多模光纤激光器IPG公司的Oleg Shkurikin在DEPS会议上说，传统的光纤激光器都是直接采用二极管激光器泵浦，但是受980nm泵浦二极管亮度的限制，致使高功率掺镱光纤激光器的输出一直限制在千瓦级水平。掺镱光纤放大器或掺镱光纤激光器获得更高功率的关键在于使用亮度更高的泵浦光源，比如输出1018nm的掺镱光纤激光器。掺镱光纤在1018nm的吸收比975nm的吸收峰小一个量级，但是1018nm光纤激光器的亮度要高100倍。Shkurikin说两种方法都是可行的，但是存在一些折中。直接二极管泵浦的效率高达35%，而且体积较小，但是产生较高的单位长度热负载，因此具有GHz带宽的单光纤结构的激光器输出功率限制在400～600W。掺铒光纤激光器泵浦的效率只有25%～28%，而且激光器的体积增加了一倍，但是从单根光纤中输出的总功率可以达到1～1.5kW。将多个单模掺镱光纤激光器模块的输出并束到一个纤芯为100µm、2.5m长的输出光纤中，可以获得具有高光束质量的更高功率的激光输出。在DEPS会议上，IPG公司的Alex Yusin 表示，其实现了M2 因子小于1.3、输出功率超过10kW的光纤激光器，与2008年实现的5kW的输出功率相比，明显获得了极大的进步。IPG希望在2009年年末推出商业化的产品。Alex Yusin补充说 ：“虽然输出功率达到15kW或20kW将会非常困难，但是我们希望在最近一、两年内能够实现这个目标。”目前该系统的功耗为50kW，体积大小与一台冰箱类似（见图2）。

图2：IPG推出的10kW单模光纤激光器。放大级是一个纤芯为30µm、长15m的掺镱光纤，由45个波长1018nm、300W的光纤激光器泵浦，以实现最大的光-光转换效率。该设备外形尺寸为1.5m × 1.5m × 0.8m，功耗为50kW。

达到上述输出功率需要一个主振-放大结构和一个二级泵浦过程。975nm二极管激光器泵浦输出为1018nm的掺镱光纤激光器，其输出用以泵浦最终输出波长为1070nm的掺镱光纤激光器。这会降低1070nm掺镱光纤激光器的热耗散，而且1018nm泵浦光优异的光束质量，还降低了1070nm输出光的发散角。更高的输出功率通常会大幅降低光束质量。Yusin说IPG的50kW多模光纤激光器输出的光束质量M2为33，其功耗为170kW，电-光转换效率高于单模光纤激光器。这个输出来自于对多个1.1kW激光器模块的并束，并利用纤芯为200µm的光纤输出。整个系统的尺寸大约为3个冰箱大小（见图3）。

图3：IPG推出的50kW多模光纤激光器，通过纤芯为200µm、25m长的光纤输出。其功耗为170kW，重3000kg，电-光效率为30%。

人眼安全光纤激光器掺镱光纤激光器的一个最重要的缺点是其输出会对视网膜产生严重损伤。对于军事规划人员来说，他们不希望在训练时把部队和非战斗人员暴露在危险的光束下，或是在军事行动中造成间接损害。Northrop Grumman 公司的Josh Rothenberg在DEPS会议上说，波长大于1.4µm的激光，对视网膜损伤的安全阈值要提高100～1000倍。空气可以很好地传输标准掺铒光纤激光器输出的波长为1.55µm的激光。他认为输出波长在2µm左右的掺铥光纤激光器很有吸引力，因为一个790nm泵浦光子可以同时激发两个铥原子到上能级，其量子效率从40%提高到了80%。他说Northrop Grumman 公司实现了波长2040nm、线宽5MHz、功率608W的单模掺铥光纤激光器系统。该系统具有一个3mW分布反馈振荡器、一系列预放大器以及主放大器，增益光纤是3.1m长的双包层掺铥光纤，其内层纤芯为25µm，包层直径为400µm。放大器中的泵浦光功率为1.1kW。Rothenberg说，608W输出光束的M2为1.05，其中98%的功率限制在纤芯里，多个光纤放大器输出的相干并束可以获得更高的功率。美国空军研究实验室的Mark Dubinskii表示，还有一种方案可能在铒泵浦方面很有前途。这种方案并不是使用常规的980nm泵浦光，他试图使用1530nm泵浦铒产生1600nm的输出光，其量子损耗仅为4%。康宁公司在2003年报道了这一想法，但是仅获得了500mW的输出功率。Dubinskii获得了波长1580nm、45～50W的单模输出，泵浦源为波长1532.5nm、功率100W的窄带光源，其中有85W的功率被吸收。他说：“我们希望在达到非线性限制之前可以获得6kW的输出功率。”单光纤限制和并束非线性效应是光纤的一个固有限制。其中最重要的影响因素就是受激布里渊散射，它把光散射到相反的方向，因此限制了最高输出功率。当激光的带宽集中在小于布里渊带宽的范围内时（几十MHz），这种效应就会非常强，使单模光纤中的光强限制在几百瓦。[1]增加带宽到GHz或几十GHz能获得更高的功率，但是最终因为光损伤和其他效应限制了功率的提升。很显然，将多个单模光纤激光器输出并束能够提高输出功率，但问题是如何来做。相干光并束在理论上非常有吸引力，但实践中却非常难操作。Nilsson说一种很有前景的方法是由空军研究实验室的Thomas Shay发明的合成相位匹配技术。[2]目前，在光束输出前可以实现非相干相位并束。IPG使用空间并束，将多个光纤激光器输出光束倾斜入射到多模传输光纤的端面。另一种方法是光谱并束，利用一个高功率波分复用器把多个不同波长的光束合为一路。[3]参考文献：1. S. Gray et al., IEEE J. Sel. Topics in Quant. Elect. 15, p. 37 (Jan/Feb 2009). 2. T. M. Shay et al., IEEE J. Sel. Topics in Quant. Elect. 13, p. 480 (May-Jun 2007). 3. T. Schreiber et al., IEEE J. Sel. Topics in Quant. Elect. 15, p. 354 (March/April 2009).(end)

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