第1章 光纤激光器基本知识
1.1 光纤激光器概述
1.1.1 光纤激光器简介
光纤激光器是以波导结构进行光束传输，以掺稀土离子或者非线性效应作为增益的一类激光器。光纤激光器特殊的波导结构和增益特性使得其具有高效率、低热负荷、高光束质量、可柔性传输等优点，在工业加工、材料处理、国防科研等领域具有广泛的应用前景。
与普通激光器类似，光纤激光器具备增益介质、泵浦源、谐振腔三个要素。图1-1给出了采用双端泵浦的线性腔掺镱双包层光纤激光振荡器(简称光纤振荡器)结构。该激光器中，增益介质为双包层掺镱光纤(Double Cladding Ytterbium Doped Fiber，DCYDF)，又称增益光纤，为激光产生提供上能级反转粒子；谐振腔由高反射光纤光栅(High Reflectivity Fiber Bragg Grating，HR FBG)、DCYDF、输出耦合光纤光栅(Output Coupler Fiber Bragg Grating，OC FBG)组成；泵浦源则是光纤耦合半导体激光器(Laser Diode，LD)。该激光器中，利用前向泵浦信号合束器(Forward Pump and Signal Combiner，FPSC)和后向泵浦信号合束器(Backward Pump and Signal Combiner，BPSC)将低功率的LD合束得到更高功率的泵浦光后，注入光纤激光谐振腔中。泵浦源激发增益光纤产生上能级反转粒子，形成各个波段的自发辐射光子，由输出耦合光纤光栅、DCYDF和高反射光纤光栅构成的谐振腔仅对它们反射的波长进行反馈，并被增益光纤放大，最终得到由光纤光栅中心波长决定波段的激光输出。在实际激光器中，利用包层光滤除器(Cladding Light Stripper，CLS)滤除激光器中的包层光，最后经光纤端帽(EndCap，EC)扩束输出。为了避免反馈光对激光器的影响，FPSC的信号输出臂需要切斜8°角，消除端面反馈导致的激光不稳定。
图1-1 单纤输出的光纤振荡器原理图
除了光纤振荡器，研究人员一直以来把基于主控振荡器的功率放大器(Master Oscilator Power-Amplifier，MOPA)结构的光纤放大器作为实现更高功率单纤激光输出的首要选择。图1 2为光纤放大器的原理图。不同于光纤振荡器，光纤放大器中不存在谐振腔，也就是说只具备普通激光器三要素中的两个要素：泵浦源和增益介质。MOPA结构首先需要一个低功率的种子激光器(Seed)。图1-2中，种子激光器输出的激光经过FPSC注入增益光纤中。同时，FPSC、BPSC把LD输出的泵浦功率耦合到泵浦信号合束器的泵浦输出臂。FPSC、BPSC的泵浦输出臂与DCYDF熔接，将泵浦光注入DCYDF。泵浦光激发增益光纤的上能级粒子，在种子激光的作用下，增益光纤中的上能级粒子被诱导产生与种子激光相同频率的光子，使得种子激光得到放大，产生更高功率的激光输出。放大后的激光经过BPSC的信号输出臂输出，然后利用CLS滤除包层光，最后经EC扩束输出。
图1-2 单纤激光输出的光纤放大器原理图
上述两类激光器是目前获得单纤激光输出最基本的两种方案。为了获得更高功率输出，可采用全光纤功率合束的方式对多路光纤激光器进行合成。图1-3为基于功率合束的多模光纤激光器的原理，其核心思路就是利用功率合束器(PC)将多个纤芯直径较小的光纤激光器(FL1～FL7)合束到纤芯直径较大的多模光纤输出。功率合束器的基本原理与实现方法可以参考相关文献。目前，基于该功率合束方案，国际上已经实现了输出功率为100kW的多模激光。
图1-3 基于功率合束的多模光纤激光器原理图
1.1.2 光纤激光器发展历程与现状
早在1961年，Snitzer提出了光纤激光的概念，并于1964年研制出世界上第一台光纤激光器。20世纪70年代，Stone等也开展了光纤激光的相关研究，然而，受限于光纤损耗和半导体激光器泵浦技术，光纤激光器发展缓慢。20世纪80年代后，随着光纤拉制工艺的不断提升，光纤的损耗得到有效的控制，1985年，Payne等研制出低损耗的掺钕光纤，使得光纤激光器功率提升成为可能。然而，此时由于半导体泵浦技术的发展水平限制，光纤激光器仍然缺少大功率泵浦源。1988年，Snitzer等提出了双包层光纤，使信号光和包层光分别约束在光纤的纤芯和内包层内，在保证信号光以单模输出的同时，极大地提高了增益介质对泵浦光的耦合能力，使大功率光纤激光器的研制成为可能。20世纪90年代中期，有源材料GaAs晶体的生长技术获得了突破，在输出功率显著提升的同时，使用寿命能够超过104h，为光纤激光提供了大功率泵浦源基础。1997年，Zellmer等利用掺钕双包层光纤实现了30W激光输出。
在光纤激光中，通过在光纤中掺杂稀土元素离子吸收泵浦光并发射相应波段的激光输出。镱离子具有在石英玻璃基质中溶解度高、能级结构简单、吸收和发射谱带较宽等优点，因而掺镱光纤在实现大功率输出方面展示了巨大潜力。1999年，Dominic等利用掺镱光纤实现了110W的单模连续激光输出，使光纤激光输出功率突破百瓦量级。2004年，英国南安普顿大学的Jeong等基于掺镱双包层光纤实现了1.36kW输出功率，首次使光纤激光输出功率突破千瓦量级。2009年，美国IPG公司报道了10kW的单模光纤激光器(单模光纤放大器)，将光纤激光输出功率又提升一个量级，并在2013年将输出功率提升到20kW。
下面以单纤输出光纤放大器和光纤振荡器为例，简单介绍连续光纤激光器的发展现状。对于功率合束的多模光纤激光器，由于其原理简单，除了需要考虑输出光纤的功率承受能力，主要需要对功率合束器进行设计，不在本书的讨论范围内。
1. 光纤放大器发展现状
在光纤激光器领域，基于主振荡功率放大结构的光纤放大器最早成为高功率光纤激光器的主流技术方案。
表1-1给出了光纤放大器的科研与产业现状。众所周知，早在2009年，美国IPG公司就实现了输出功率大于10kW的单模光纤放大器。此后，在科研领域，全光纤放大器得到了蓬勃的发展，国内外相关研究机构都先后实现了5～10kW的光纤放大器。其中，国防科技大学、清华大学、中国工程物理研究院、中国科学院上海光学精密机械研究所等单位都在实验室获得了10kW以上输出功率。国内的10kW光纤放大器包括三种技术方案：第一种是国防科技大学等单位采用的级联泵浦双包层增益光纤的方案；第二种是中国工程物理研究院等单位采用的LD泵浦复合增益光纤的方案；第三种是中国科学院上海光学精密机械研究所等单位采用的LD泵浦双包层增益光纤的方案。
表1-1 光纤放大器科研与产业现状
表1-1同时给出了国内部分公司的光纤放大器产品情况。自2019年以来，武汉锐科光纤激光技术股份有限公司、深圳市创鑫激光股份有限公司等基于放大器方案，实现了单模块3～6kW功率输出。其中，深圳市创鑫激光股份有限公司的光纤放大器为多模输出，其他公司的光纤放大器以单模输出或近单模输出为主。对比科研报道的激光器与工业激光器产品可知，在光纤放大器中，从科研领域首先报道高功率输出到商业公司推出相应的商品，需要3年甚至更长的时间。
2. 光纤振荡器发展现状
一直以来，主振荡功率放大结构的光纤放大器被认为是光纤激光器的主流方案。与主振荡功率放大结构的光纤放大器相比，光纤振荡器具有结构紧凑、控制逻辑简单、成本低廉、抗反射回光能力强、稳定性好等优点。随着光纤器件和工艺的发展，掺镱光纤振荡器(简称光纤振荡器)输出功率和光束质量不断提升。
表1-2给出了文献公开报道的科研领域光纤振荡器的典型研究结果。早在2012年，美国Alfalight公司报道了输出功率为1kW的全光纤振荡器。此后，光纤振荡器输出功率几乎每年上一个台阶，在最近两年，光纤振荡器输出功率更是得到了极大的提升。2018年，国防科技大学和日本藤仓公司分别报道了全光纤的5kW近单模光纤振荡器。2019年，日本藤仓公司将该单模5kW激光器用于铜片材料处理，得到了比多模激光更好的效果。2019年，德国Laserline公司在Photonics West会议上报道了输出功率达17.5kW的空间结构多模光纤振荡器，指出基于类似平台的功率为6kW、光束质量为4mm？mrad的光纤激光器已成为标准商业产品。2020年，日本藤仓公司在Photonics West会议上又报道了输出功率突破8kW的近单模光纤振荡器。
表1-2 高功率全光纤振荡器典型研究结果
由于光纤振荡器具有很好的抗反射能力，在工业领域得到了广泛的应用。表1-3给出了近年来国内外部分公司的高功率光纤振荡器产品。早在2010年，芬兰CoreLase公司推出1kW全光纤振荡器产品；2015年，该公司又推出了2kW的光纤振荡器产品。2015年，深圳市创鑫激光股份有限公司与国防科技大学合作，在国内最早推出了1.5kW的全光纤振荡器产品。2017年以后，美国Lumentum公司、光惠(上海)激光科技有限公司、北京热刺激光技术有限责任公司、上海飞博激光科技有限公司、湖南大科激光有限公司等都先后推出了各自高功率的光纤振荡器产品。尤其是2019年以来，美国Lumentum公司、光惠(上海)激光科技有限公司、北京热刺激光技术有限责任公司、上海飞博激光科技有限公司等都实现了输出功率大于等于4kW的光纤振荡器。其中，光惠(上海)激光科技有限公司、北京热刺激光技术有限责任公司的4kW光纤振荡器为单模输出，具有很好的光束质量；上海飞博激光科技有限公司的4kW光纤振荡器输出光斑为环形光斑，在特殊领域有很好的应用。
表1-3 部分公司光纤振荡器产品
我们发现，从科研领域首先报道高功率光纤振荡器到商业公司推出相应的商品，时间间隔为1～2年。对比表1-1～表1-3，可以得到以下结论。首先，从发展阶段来看，在光纤激光器发展的前期，光纤放大器发展速度远超光纤振荡器；早在2009年，光纤放大器就实现了10kW功率输出；2018年之后，光纤振荡器输出功率才得到较大的提升。其次，在输出功率方面，光纤振荡器与光纤放大器功率水平已经没有明显区别，尤其是日本藤仓公司8kW单模光纤振荡器和德国Laserline公司17.5kW多模光纤振荡器的报道使得光纤振荡器输出功率逐步追赶上了光纤放大器。最后，在工业化应用方面，由于具有抗反射回光能力强、控制逻辑简单等优势，光纤振荡器比光纤放大器具有更好的工业应用前景，光纤振荡器从实验室走向产业市场的时间也短于光纤放大器所用时间。
一直以来，光纤放大器被认为是获得高功率激光输出的有效技术途径。事实上，德国耶拿大学文献报道，在使用相同增益光纤搭建的光纤振荡器和光纤放大器对比研究中，全光纤振荡器具有比光纤放大器更大的功率提升能力。如图1-4所示，耶拿大学的实验表明，利用纤芯/内包层直径为20μm/400μm的增益光纤搭建的光纤放大器的模式不稳定阈值小于光纤振荡器的模式不稳定阈值。尽管这个结论不一定有普适性，但是可以看出，光纤振荡器的优势还是相当明显的，随着未来光纤振荡器高功率新型器件的研发和市场需求的推动，其输出功率超越光纤放大器是有可能的。此外，从光纤振荡器的发展可以看出，连续光纤振荡器的输出功率越来越高，在科研和工业领域都得到了广泛的关注，并且可能在今后的工业应用中大规模替代传统MOPA结构光纤放大器。
图1-4 光纤振荡器和光纤放大器中时域归一化均方差与输出功率的关系
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