脉冲光纤激光器

采用光纤作为激光介质的激光器

在脉冲光纤激光器方面，光纤激光器实现脉冲输出的方式与普通的激光器一样主要采用锁模技术、调Q技术和脉冲种子源放大技术。

1概述

光纤激光器是采用光纤作为激光介质的激光器，通过在光纤基质材料中掺杂不同的稀土离子，获得所对应波长的激光输出。掺杂的离子种类有掺铒（Er）、掺钕（Nd）、掺镨（Pr）、掺钬（Ho）、掺镱（Yb）、掺铥（Tm）等。

光纤激光器(Fiber Laser)是指采用掺稀土元素光纤作为增益介质,由栗浦源所产生的泉浦光在光纤纤芯内形成高功率密度使得掺杂稀土离子能级形成“粒子数反转”,适当加入正反馈回路构成谐振腔时便可产生激光。光纤激光器的果浦光被称合进入掺杂稀土金属离子光纤,粟浦波长上的光子被介质吸收形成粒子数反转,最后在光纤介质中因受激福射产生激光。由于掺杂稀土光纤同时起着导波作用因此光纤激光器是波导型的谐振装置。光纤激光器实际上是Fabry-Perot谐振腔(F-P)结构式的波长转换器,在栗浦波长上的光子被增益介质吸收形成粒子数反转,最后在增益介质中因受激发射产生激光。

光纤激光器诞生于20世纪60年代初，已经有五十多年的发展史。随着光纤通信技术、光纤制造工艺以及与激光器技术的日趋成熟而迅猛发展，特别是20世纪90年代后期，随着半导体激光器及掺杂光纤制作技术的日益成熟，光纤激光器的研究取得了重大进展，输出功率、波长调谐范围等性能得到了显著提高，适用于各种不同应用领域的光纤激光器纷纷面世。

典型光纤激光器工作原理

典型光纤激光器的基本结构主要由三部分组成：产生光子的增益介质、使光子得到反馈并在增益介质中进行谐振放大的光学谐振腔和激发增益介质的泵浦源。其中，增益介质为掺杂稀土离子的纤芯。

在脉冲光纤激光器方面，光纤激光器实现脉冲输出的方式与普通的激光器一样主要采用锁模技术、调Q技术和脉冲种子源放大技术。

调Q光纤激光器是在谐振腔内插入Q开关器件，通过周期性改变腔损耗，实现调Q脉冲激光输出。南安普顿大学采用纤芯直径40 μm、数值孔径0.06的大模场面积掺镱光纤调Q，获得了脉冲能量1.2 mJ的窄脉冲宽度（37 ns）、高光束质量（M2=1.1）脉冲激光输出。由于光纤激光器中较长的增益介质，很难获得更窄的脉冲宽度激光输出。

为了获得高峰值功率、高能量的脉冲激光输出，主要是利用主振荡功率放大技术（MOPA）来实现。2005年，密西根大学采用调制的半导体激光器作为脉冲种子光源，通过四级光纤放大，实现1 064 nm的巨脉冲能量输出。两级单模光纤预放大后，激光的单脉冲能量由10~30 nJ放大到约38 μJ。再经过一级功率放大（LD功率40 W、波长980 nm抽运的纤芯直径50 μm双包层光纤）和二级功率放大（LD功率200W、波长915 nm 抽运的纤芯直径200 μm 双包层光纤），实现了巨脉冲能量的激光输出：当脉宽500 ns时，得到的单脉冲能量达82 mJ；脉宽50 ns时的单脉冲能量为27 mJ；脉宽4 ns时的脉冲峰值功率为2.4MW。

2005年，F D Teodoro利用双包层掺镱的光子晶体光纤作为脉冲放大的增益光纤，实现了脉冲宽度450 ps、脉冲能量0.7 mJ，峰值功率1.5 MW、近衍射极限（M2=1.05）的脉冲激光输出。接着，他们又利用纤芯直径140 μm的多模镱纤放大该输出激光，实现了4.5 MW的高能量脉冲激光输出。

2008年，F Di Teodoro等人利用大芯的掺铒光纤，在超短的皮秒脉冲范围内，已经实现了峰值功率1.2MW的脉冲激光输出[10]。2005年，南安普顿大学的研究员，在纤芯直径43 μm，数值孔径0.09的双包层掺杂光纤实现了脉冲宽度20 ps、光束质量M2=2.4、平均功率321 W的脉冲激光输出。

2009年Bülend ortac等用大模场面积的掺Yb光纤制作得到自启动的平均功率9W的飞秒脉冲输出，重复频率9.7 MHz，脉冲能量927 nJ，接近微焦量级。

2009 年Alexey Andrianov 等通过掺铒光纤放大器和色散降低光纤（DDF）、高非线性单模光纤（HN⁃SF）和普通单模光纤（SMF-28）对被动锁模的掺铒振荡器输出的230 fs，600 MHz，波长为1.57 μm的脉冲进行放大和压缩，并得到20~25 fs，调谐范围为1.57~2.1 μm的飞秒激光输出。

2010年J. Lhermite等用掺Yb光纤作增益介质，利用非线性偏振技术在全正色散域锁模获得了中心波长在976 nm，重复频率为40.6 MHz，平均功率为480 mW的激光脉冲，经过腔外体光栅压缩后可获得286 fs的超短脉冲输出。

2010年K. Kieu等用掺Er光纤激光器产生脉冲后，经掺铒光纤放大展宽后，再由SMF28光纤对脉冲进行压缩进入高非线性光纤（HNLF）后获得超连续谱（1~2μm）抽运掺Yb光纤并放大后获得高能量的超短脉冲输出，经过腔外体光栅压缩后可获得135 fs和11.5 W平均功率的超短脉冲输出。

2011年S.Hädrich等研究了通过两级放大获得高平均输出功率的掺Yb光纤激光器，并用BBO晶体对输出飞秒脉冲进行了倍频输出。该系统在中心波长1 040 nm时有不同的重复频率，系统经过二级预放和一级主放获得足够能量的脉冲，经光栅对压缩后得到406 fs，平均功率225 W的脉冲输出。

2011年J. Lhermite等又利用纤芯和包层直径分别为80 μm和200 μm的掺镱棒状光纤作为增益介质产生了中心波长为976 nm，单脉冲能量为500 nJ，脉冲宽度为460 fs，重复频率8.4 MHz，平均功率4.2 W的超短脉冲输出。

2011年美国密歇根大学的Bai Nie等设计了一种双包层掺镱全正常色散飞秒光纤激光器，该激光器具有一个窄的内腔式滤光器，产生的脉冲能量22 nJ，重复频率42.5 MHz，通过多光子脉间干涉相位扫描技术将脉冲压缩到42 fs，单脉冲能量10 nJ。

2011年康奈尔大学的研究人员使用正常色散锁模铥光纤激光器产生0.4 nJ的脉冲能量，输出脉冲经过消除啁啾后为470 fs。2012年Frithjof Haxsen等使用高非线性光纤和掺Tm光纤，并通过非线性偏振演化（NEP）和半导体可饱和吸收镜混合锁模以及小芯径、大数值孔径光纤进行色散补偿，得到单脉冲能量0.7 nJ，波长1 927 nm，482 fs的飞秒激光脉冲输出。

2012 年A.Chamorovskiy 等得到中心波长为1160 nm的半导体碟片激光器抽运的被动锁模飞秒光纤激光器。在波长2 085 nm处产生了890 fs，功率46mW的脉冲输出，该波长是目前飞秒光纤激光器最长的输出波长。

2 脉冲光纤激光器分类

调Q光纤激光器

调 Q 的原理是在激光器内加入一个损耗可调节器件，在大部分时间区域内，激光器的损耗很大，几乎无光输出，在某一个极短的时间内，减小器件的损耗，从而使激光器输出一个强度极高的短脉冲。可以通过主动或者被动方式实现调 Q光纤激光器。主动技术一般是在腔内加入一个强度调制器，来控制激光器的损耗。被动技术是利用饱和吸收体或者其它非线性效应例如受激拉曼散射、受激布里渊散射等形成调 Q 机制。一般通过调 Q 方法产生的脉冲在纳秒量级。若想产生更短的脉冲则可以通过锁模方法实现。

锁模光纤激光器

可以通过主动锁模或者被动锁模方法来产生超短脉冲。受限于调制器的响应时间，主动锁模产生的脉宽较宽一般为皮秒量级；被动锁模利用的是被动锁模器件，响应时间很短，可以产生飞秒量级的脉冲。下面简单介绍一下锁模原理。一个激光谐振腔里面有着无数个纵模，对于环形腔来说，纵模频率间隔等于/CC L ，C 为光速，CL 为信号光在腔内往返一周的光程长度。一般来说光纤激光器的增益带宽较大，会有大量的纵模同时运转，激光器所能容纳的模式总数取决于纵模间隔 ∆ν 和增益介质的增益带宽。纵模间隔越小，介质的增益带宽越大，则能支持的纵模数越多。反之，则越少。

对于光纤激光器来说，输出光场的特性取决于纵模的相位特性。如果所有模式相互独立，其相位间没有确定的关系，激光器的输出特性是多纵模振荡；如果所有模式有确定的位相关系，则输出的激光信号是超度脉冲，且峰值功率较大。

当激光器处于多纵模振荡时，激光频谱是由等间隔纵模构成，振幅是无规则的，相位在 −π 到 +π 之间随机分布；在时域内，其相位也是在一定范围内无规则起伏，导致强度分布类似噪声。当用响应时间为 T 的器件探测此激光器的光强时，接收到的光强 I (t )是所有满足激光器振荡条件的所有纵模光强的叠加。

由于各纵模之间相位彼此相互独立无特定的位相关系，所以各纵模之间的相干项在时间平均下为零，输出光强是各个纵模平均输出光强之和，不会出现相干脉冲输出，此即为多模自由振荡激光器。

与多模自由振荡激光器相反，如果能采取合适的措施，使相互独立的纵模在相位上存在一定的关系，即使得相邻纵模的位相差为一常数，则激光器的输出特性将大为不同，将会输出脉宽极窄、高峰值功率的脉冲。

脉冲之间的光强接近于 0。也可以通过频谱分析仪观察锁模脉冲序列，如果激光器锁模后，则频谱仪会出现一系列稳定的等间距的尖峰，间距就是腔内的纵模间隔。如果激光器是自由振荡，则频谱仪上的信号是一些列不稳定无规则的尖峰。

展宽脉冲光纤激光器

由于孤子激光器的功率低，脉宽较宽且有克利边带，要输出更高功率，更短的脉冲，一个方法就是引入展宽脉冲光纤激光器，也叫色散管理孤子光纤激光器，其基本原理就是在激光谐振腔中引进正负色散两种光纤进行色散管理，这样谐振腔中的脉冲来回振荡的时候被周期性地展宽压缩，减少了一个周期内累积的非线性相移，可以提高激光器输出的单脉冲能量，用这种方法可以产生纳焦的飞秒脉冲。同时由于腔内色散是变化的，克利边带将无法产生，得到底座小的高质量脉冲（剩下的底座是高阶色散引起）。要用这种结构产生增益带宽极限的脉冲，腔内和腔外的色散均需要优化。

3展望

随着光纤激光器的快速发展，其应用范围越来越高，目前主要的市场应用为工业材料加工领域。

首台10 kW的单模输出的光纤激光器，其总体效率超过25%；光纤激光器产品的多模输出功率已经达到数万瓦；超快脉冲激光的峰值功率已经接近1 GW；德国弗劳恩霍夫技术研究所研制出平均400 W的飞秒激光器；英国巴斯大学实现了400~2 400 nm的超连续光谱光源，输出功率大于10 W等，都极大地推动了光纤激光器在应用领域的发展。

随着光通信网络及相关领域技术的飞速发展，光纤激光器技术正在不断向广度和深度方面推进。相关技术的进步，特别是以光纤光栅、滤波器和光纤技术等为基础的新型光纤器件等的陆续面世，将为光纤激光器的设计提供新的思路和方法。尽管目前多数类型的光纤激光器仍处于实验室研制阶段，但已经在实验室中充分显示出了优越性。

光纤激光的工业应用，已经从低功率（百瓦级）的打标、雕刻向更高功率（千瓦级到万瓦级）的金属和陶瓷的切割、焊接等方面发展。在汽车和造船等行业中，结构紧凑、使用方便的高功率光纤激光器具有巨大的市场潜力。可以预见，光纤激光器必将在未来的光通信、军事、工业加工、医疗、光信息处理、全色显示和激光印刷等领域中发挥重要作用。

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