光纤激光器的输出功率日益提升

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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? ? 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100