隨著單模光纖激光器的功率達到10kW、多模光纖激光器的功率達到50kW，光纖激光器的應用正在突破工業(yè)領域進入到軍事應用中，成為戰(zhàn)場上部署高能激光武器的候選產(chǎn)品。

作者：Jeff Hecht

 在激光技術發(fā)展的早期，獲得高功率激光輸出的最好方法是從大體積激光材料中提取能量。目前，仍然有一些應用在采用這種方法，比如在利弗莫爾國家實驗室的國家點火裝置(NIF)中，就利用了大塊玻璃放大器把脈沖放大到1.8 MJ。但是對于很多工業(yè)應用，摻鐿光纖已經(jīng)成為高功率激光介質的理想之選。

自從Elilas Snitzer于1963年發(fā)明第一臺光纖激光器以來，光纖激光器在功率提升方面已經(jīng)走過了很長的歷程。2009年6月，IPG Photonics 公司在慕尼黑激光展上和由定向能專業(yè)協(xié)會（DEPS）主辦的固體激光器與半導體激光器大會上發(fā)布了輸出功率達10kW的連續(xù)波單模光纖激光器。IPG Photonics 公司工業(yè)市場部副總裁Bill Shiner說，IPG已經(jīng)生產(chǎn)出了輸出功率高達50kW的多模光纖激光器，而且Raytheon公司已經(jīng)測試其作為激光武器的潛在應用。但是IPG目前的主要業(yè)務還是面向工業(yè)材料加工應用，從切割用于太陽能電池的硅晶圓到金屬板的機器人焊接。

為什么選擇光纖？

類似于其他二極管泵浦的激光器，光纖激光器本質上是把低質量的泵浦激光轉換為更高質量的激光輸出，這些高質量的激光輸出可應用于醫(yī)療、材料加工以及激光武器等諸多領域。在實現(xiàn)高功率輸出方面，光纖激光器具有兩個重要優(yōu)勢：一是從泵浦光到高質量輸出光的過程，具有較高的轉換效率；二是具備良好的散熱能力。

圖1：二極管泵浦的雙包層光纖激光器可以采用端面泵浦或側面泵浦，但是光束必須以一定的角度接近光纖的軸，使泵浦光（藍線）可以在外層纖芯中傳導。激光增益介質被摻雜在內層纖芯中（紅線）。

光纖激光器之所以能獲得較高的效率，主要得益于二極管泵浦、增益摻雜介質的精心選擇以及光纖的優(yōu)化設計。高功率光纖激光器使用的光纖，包含一個摻雜增益介質的內層纖芯和一個限制泵浦光的外層纖芯。泵浦光可以通過光纖的端面進入到外層纖芯，或沿著光纖的側面以與光纖軸接近平行的方向耦合進外層纖芯（見圖1）。后一種方法稱為“側面泵浦”，但并不是說泵浦光像體激光器（bulk laser）一樣橫向進入激光腔。一旦泵浦光被導入到外層纖芯后，就會沿著光纖重復通過內層纖芯從而實現(xiàn)高效泵浦。隨后，受激輻射沿著內層纖芯傳導，并不斷積累能量輸出高強度激光。

大多數(shù)光纖激光器的摻雜物都是，這是因為選擇鐿能獲得較小的量子損耗（泵浦光子和輸出光子的能量差），當用975nm泵浦光產(chǎn)生1035nm輸出光時，其量子損耗值僅為6%。對比而言，用808nm泵浦的輸出為1064nm的摻釹激光器的量子損耗則高達20%。較小的量子損耗使摻鐿光纖激光器的光-光泵浦效率超過60%，此外加上泵浦二極管具有50%的電-光轉換效率，這意味著光纖激光器的總轉換效率可以達到30%。

光纖結構具有較大的單位體積表面積，這有助于光纖激光器散熱，但是即使使用水冷，熱耗散也會限制其性能。五年前研究人員希望通過增加摻雜水平和內層纖芯的尺寸來輸出更高的功率，但是南安普頓大學的Johan Nilsson表示，在高平均功率下，由于殘留熱量很難從光纖中帶走，“熱效應的限制又回來了”。

單模和多模光纖激光器

IPG公司的Oleg Shkurikin在DEPS會議上說，傳統(tǒng)的光纖激光器都是直接采用二極管激光器泵浦，但是受980nm泵浦二極管亮度的限制，致使高功率摻鐿光纖激光器的輸出一直限制在千瓦級水平。摻鐿光纖放大器或摻鐿光纖激光器獲得更高功率的關鍵在于使用亮度更高的泵浦光源，比如輸出1018nm的摻鐿光纖激光器。摻鐿光纖在1018nm的吸收比975nm的吸收峰小一個量級，但是1018nm光纖激光器的亮度要高100倍。

Shkurikin說兩種方法都是可行的，但是存在一些折中。直接二極管泵浦的效率高達35%，而且體積較小，但是產(chǎn)生較高的單位長度熱負載，因此具有GHz帶寬的單光纖結構的激光器輸出功率限制在400～600W。摻鉺光纖激光器泵浦的效率只有25%～28%，而且激光器的體積增加了一倍，但是從單根光纖中輸出的總功率可以達到1～1.5kW。

將多個單模摻鐿光纖激光器模塊的輸出并束到一個纖芯為100µm、2.5m長的輸出光纖中，可以獲得具有高光束質量的更高功率的激光輸出。在DEPS會議上，IPG公司的Alex Yusin 表示，其實現(xiàn)了M² 因子小于1.3、輸出功率超過10kW的光纖激光器，與2008年的5kW的輸出功率相比，明顯獲得了極大的進步。IPG希望在2009年年末推出商業(yè)化的產(chǎn)品。Alex Yusin補充說 ：“雖然輸出功率達到15kW或20kW將會非常困難，但是我們希望在最近一、兩年內能夠實現(xiàn)這個目標。”目前該系統(tǒng)的功耗為50kW，體積大小與一臺冰箱類似（見圖2）。

圖2：IPG推出的10kW單模光纖激光器。放大級是一個纖芯為30µm、長15m的摻鐿光纖，由45個波長1018nm、300W的光纖激光器泵浦，以實現(xiàn)最大的光-光轉換效率。該設備外形尺寸為1.5m × 1.5m × 0.8m，功耗為50kW。

 達到上述輸出功率需要一個主振-放大結構和一個二級泵浦過程。975nm二極管激光器泵浦輸出為1018nm的摻鐿光纖激光器，其輸出用以泵浦最終輸出波長為1070nm的摻鐿光纖激光器。這會降低1070nm摻鐿光纖激光器的熱耗散，而且1018nm泵浦光優(yōu)異的光束質量，還降低了1070nm輸出光的發(fā)散角。

更高的輸出功率通常會大幅降低光束質量。Yusin說IPG的50kW多模光纖激光器輸出的光束質量M²為33，其功耗為170kW，電-光轉換效率高于單模光纖激光器。這個輸出來自于對多個1.1kW激光器模塊的并束，并利用纖芯為200µm的光纖輸出。整個系統(tǒng)的尺寸大約為3個冰箱大小（見圖3）。

圖3：IPG推出的50kW多模光纖激光器，通過纖芯為200µm、25m長的光纖輸出。其功耗為170kW，重3000kg，電-光效率為30%。

人眼安全光纖激光器

摻鐿光纖激光器的一個最重要的缺點是其輸出會對視網(wǎng)膜產(chǎn)生嚴重損傷。對于軍事規(guī)劃人員來說，他們不希望在訓練時把部隊和非戰(zhàn)斗人員暴露在危險的光束下，或是在軍事行動中造成間接損害。

Northrop Grumman 公司的Josh Rothenberg在DEPS會議上說，波長大于1.4µm的激光，視網(wǎng)膜損傷的安全閾值要提高100～1000倍�？諝饪梢院芎玫貍鬏敇藴蕮姐s光纖激光器輸出的波長為1.55µm的激光。他認為輸出波長在2µm左右的摻銩光纖激光器很有吸引力，因為一個790nm泵浦光子可以同時激發(fā)兩個銩原子到上能級，其量子效率從40%提高到了80%。

他說Northrop Grumman 公司實現(xiàn)了波長2040nm、線寬5MHz、功率608W的單模摻銩光纖激光器系統(tǒng)。該系統(tǒng)具有一個3mW分布反饋振蕩器、一系列預放大器以及主放大器，增益光纖是3.1m長的雙包層摻銩光纖，其內層纖芯為25µm，包層為直徑為400µm。放大器中的泵浦光功率為1.1kW。Rothenberg說，608W輸出光束的M²為1.05，其中98%的功率限制在纖芯里，多個光纖放大器輸出的相干并束可以獲得更高的功率。

美國空軍研究實驗室的Mark Dubinskii表示，還有一種方案可能在鉺泵浦方面很有前途。這種方案并不是使用常規(guī)的980nm泵浦光，他試圖使用1530nm泵浦鉺產(chǎn)生1600nm的輸出光，其量子損耗僅為4%�？祵幑�司在2003年報道了這一想法，但是僅獲得了500mW的輸出功率。Dubinskii獲得了波長1580nm、45～50W的單模輸出，泵浦源為波長1532.5nm、功率100W的窄帶光源，其中有85W的功率被吸收。他說：“我們希望在達到非線性限制之前可以獲得6kW的輸出功率。”

單光纖限制和并束

非線性效應是光纖的一個固有限制。其中最重要的影響因素就是受激布里淵散射，它把光散射到相反的方向，因此限制了最高輸出功率。當激光的帶寬集中在小于布里淵帶寬的范圍內時（幾十MHz），這種效應就會非常強，使單模光纖中的光強限制在幾百瓦。^[1]增加帶寬到GHz或幾十GHz能獲得更高的功率，但是最終因為光損傷和其他效應限制了功率的提升。

很顯然，將多個單模光纖激光器輸出并束能夠提高輸出功率，但問題是如何來做。相干光并束在理論上非常有吸引力，但實踐中卻非常難操作。Nilsson說一種很有前景的方法是由空軍研究實驗室的Thomas Shay發(fā)明的合成相位匹配技術。^[2]

 目前，在光束輸出前可以實現(xiàn)非相干相位并束。IPG使用空間并束，將多個光纖激光器輸出光束傾斜入射到多模傳輸光纖的端面。另一種方法是光譜并束，利用一個高功率波分復用器把多個不用波長的光束合為一路。^[3]

 參考文獻：

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).