隨著單模光纖激光器的功率達(dá)到10kW、多模光纖激光器的功率達(dá)到50kW，光纖激光器的應(yīng)用正在突破工業(yè)領(lǐng)域進(jìn)入到軍事應(yīng)用中，成為戰(zhàn)場(chǎng)上部署高能激光武器的候選產(chǎn)品。

作者：Jeff Hecht

 在激光技術(shù)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(yīng)用在采用這種方法，比如在利弗莫爾國(guó)家實(shí)驗(yàn)室的國(guó)家點(diǎn)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(duì)于很多工業(yè)應(yīng)用，摻鐿光纖已經(jīng)成為高功率激光介質(zhì)的理想之選。

自從Elilas Snitzer于1963年發(fā)明第一臺(tái)光纖激光器以來(lái)，光纖激光器在功率提升方面已經(jīng)走過(guò)了很長(zhǎng)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(huì)（DEPS）主辦的固體激光器與半導(dǎo)體激光器大會(huì)上發(fā)布了輸出功率達(dá)10kW的連續(xù)波單模光纖激光器。IPG Photonics 公司工業(yè)市場(chǎng)部副總裁Bill Shiner說(shuō)，IPG已經(jīng)生產(chǎn)出了輸出功率高達(dá)50kW的多模光纖激光器，而且Raytheon公司已經(jīng)測(cè)試其作為激光武器的潛在應(yīng)用。但是IPG目前的主要業(yè)務(wù)還是面向工業(yè)材料加工應(yīng)用，從切割用于太陽(yáng)能電池的硅晶圓到金屬板的機(jī)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(zhì)上是把低質(zhì)量的泵浦激光轉(zhuǎn)換為更高質(zhì)量的激光輸出，這些高質(zhì)量的激光輸出可應(yīng)用于醫(yī)療、材料加工以及激光武器等諸多領(lǐng)域。在實(shí)現(xiàn)高功率輸出方面，光纖激光器具有兩個(gè)重要優(yōu)勢(shì)：一是從泵浦光到高質(zhì)量輸出光的過(guò)程，具有較高的轉(zhuǎn)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(cè)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(lán)線）可以在外層纖芯中傳導(dǎo)。激光增益介質(zhì)被摻雜在內(nèi)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(zhì)的精心選擇以及光纖的優(yōu)化設(shè)計(jì)。高功率光纖激光器使用的光纖，包含一個(gè)摻雜增益介質(zhì)的內(nèi)層纖芯和一個(gè)限制泵浦光的外層纖芯。泵浦光可以通過(guò)光纖的端面進(jìn)入到外層纖芯，或沿著光纖的側(cè)面以與光纖軸接近平行的方向耦合進(jìn)外層纖芯（見(jiàn)圖1）。后一種方法稱為“側(cè)面泵浦”，但并不是說(shuō)泵浦光像體激光器（bulk laser）一樣橫向進(jìn)入激光腔。一旦泵浦光被導(dǎo)入到外層纖芯后，就會(huì)沿著光纖重復(fù)通過(guò)內(nèi)層纖芯從而實(shí)現(xiàn)高效泵浦。隨后，受激輻射沿著內(nèi)層纖芯傳導(dǎo)，并不斷積累能量輸出高強(qiáng)度激光。

大多數(shù)光纖激光器的摻雜物都是，這是因?yàn)檫x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(dāng)用975nm泵浦光產(chǎn)生1035nm輸出光時(shí)，其量子損耗值僅為6%。對(duì)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(dá)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(guò)60%，此外加上泵浦二極管具有50%的電-光轉(zhuǎn)換效率，這意味著光纖激光器的總轉(zhuǎn)換效率可以達(dá)到30%。

光纖結(jié)構(gòu)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(huì)限制其性能。五年前研究人員希望通過(guò)增加摻雜水平和內(nèi)層纖芯的尺寸來(lái)輸出更高的功率，但是南安普頓大學(xué)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(yīng)的限制又回來(lái)了”。

單模和多模光纖激光器

IPG公司的Oleg Shkurikin在DEPS會(huì)議上說(shuō)，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(jí)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(guān)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(gè)量級(jí)，但是1018nm光纖激光器的亮度要高100倍。

Shkurikin說(shuō)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(dá)35%，而且體積較小，但是產(chǎn)生較高的單位長(zhǎng)度熱負(fù)載，因此具有GHz帶寬的單光纖結(jié)構(gòu)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(dá)到1～1.5kW。

將多個(gè)單模摻鐿光纖激光器模塊的輸出并束到一個(gè)纖芯為100µm、2.5m長(zhǎng)的輸出光纖中，可以獲得具有高光束質(zhì)量的更高功率的激光輸出。在DEPS會(huì)議上，IPG公司的Alex Yusin 表示，其實(shí)現(xiàn)了M² 因子小于1.3、輸出功率超過(guò)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(jìn)步。IPG希望在2009年年末推出商業(yè)化的產(chǎn)品。Alex Yusin補(bǔ)充說(shuō) ：“雖然輸出功率達(dá)到15kW或20kW將會(huì)非常困難，但是我們希望在最近一、兩年內(nèi)能夠?qū)崿F(xiàn)這個(gè)目標(biāo)。”目前該系統(tǒng)的功耗為50kW，體積大小與一臺(tái)冰箱類似（見(jiàn)圖2）。

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

 達(dá)到上述輸出功率需要一個(gè)主振-放大結(jié)構(gòu)和一個(gè)二級(jí)泵浦過(guò)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(zhǎng)為1070nm的摻鐿光纖激光器。這會(huì)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(zhì)量，還降低了1070nm輸出光的發(fā)散角。

更高的輸出功率通常會(huì)大幅降低光束質(zhì)量。Yusin說(shuō)IPG的50kW多模光纖激光器輸出的光束質(zhì)量M²為33，其功耗為170kW，電-光轉(zhuǎn)換效率高于單模光纖激光器。這個(gè)輸出來(lái)自于對(duì)多個(gè)1.1kW激光器模塊的并束，并利用纖芯為200µm的光纖輸出。整個(gè)系統(tǒng)的尺寸大約為3個(gè)冰箱大小（見(jiàn)圖3）。

圖3：IPG推出的50kW多模光纖激光器，通過(guò)纖芯為200µm、25m長(zhǎng)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(gè)最重要的缺點(diǎn)是其輸出會(huì)對(duì)視網(wǎng)膜產(chǎn)生嚴(yán)重?fù)p傷。對(duì)于軍事規(guī)劃人員來(lái)說(shuō)，他們不希望在訓(xùn)練時(shí)把部隊(duì)和非戰(zhàn)斗人員暴露在危險(xiǎn)的光束下，或是在軍事行動(dòng)中造成間接損害。

Northrop Grumman 公司的Josh Rothenberg在DEPS會(huì)議上說(shuō)，波長(zhǎng)大于1.4µm的激光，視網(wǎng)膜損傷的安全閾值要提高100～1000倍。空氣可以很好地傳輸標(biāo)準(zhǔn)摻鉺光纖激光器輸出的波長(zhǎng)為1.55µm的激光。他認(rèn)為輸出波長(zhǎng)在2µm左右的摻銩光纖激光器很有吸引力，因?yàn)橐粋�(gè)790nm泵浦光子可以同時(shí)激發(fā)兩個(gè)銩原子到上能級(jí)，其量子效率從40%提高到了80%。

他說(shuō)Northrop Grumman 公司實(shí)現(xiàn)了波長(zhǎng)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(gè)3mW分布反饋振蕩器、一系列預(yù)放大器以及主放大器，增益光纖是3.1m長(zhǎng)的雙包層摻銩光纖，其內(nèi)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(shuō)，608W輸出光束的M²為1.05，其中98%的功率限制在纖芯里，多個(gè)光纖放大器輸出的相干并束可以獲得更高的功率。

美國(guó)空軍研究實(shí)驗(yàn)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(bào)道了這一想法，但是僅獲得了500mW的輸出功率。Dubinskii獲得了波長(zhǎng)1580nm、45～50W的單模輸出，泵浦源為波長(zhǎng)1532.5nm、功率100W的窄帶光源，其中有85W的功率被吸收。他說(shuō)：“我們希望在達(dá)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(yīng)是光纖的一個(gè)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(dāng)激光的帶寬集中在小于布里淵帶寬的范圍內(nèi)時(shí)（幾十MHz），這種效應(yīng)就會(huì)非常強(qiáng)，使單模光纖中的光強(qiáng)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?yàn)楣鈸p傷和其他效應(yīng)限制了功率的提升。

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

 目前，在光束輸出前可以實(shí)現(xiàn)非相干相位并束。IPG使用空間并束，將多個(gè)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(gè)高功率波分復(fù)用器把多個(gè)不用波長(zhǎng)的光束合為一路。^[3]

 參考文獻(xiàn)：

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).