光纤激光器最新研究进程

近年来，为提高输出功率，作为大功率光纤激光器增益介质的掺稀土元素光纤多采用双包层设计，即纤芯为相应激光波长的单模掺杂光纤，内包层为折射率较低、尺寸和数值孔径与泵源输出尾纤匹配的石英材料，外包层采用折射率低于内包层的石英或聚合物材料。泵浦光耦合入光纤的内包层，在双包层光纤内全反射的过程中多次穿过纤芯，使泵浦光被掺杂介质吸收，形成粒子数反转，产生激射波长输出。这种包层泵浦技术将有效吸收面积扩大了上百倍，大大地提高了泵浦吸收效率。目前，在双包层光纤的基础上又推出了一种新型的“M型”光纤，即在预制棒制备过程中控制稀土元素掺杂浓度的分布，使拉制后的双包层光纤纤芯折射率成M型分布。理论和实验表明这种新型光纤具有更高的泵浦吸收效率，采用M型光纤的光纤激光器只需几米长的掺杂光纤就可将泵浦能量完全吸收，而同等掺杂浓度的普通双包层光纤则需要十米至五十米。
　　对于圆形内包层的双包层光纤，由于大量螺旋光的存在，纤芯的吸收效率只有10％，因此内包层形状的设计也是提高泵浦吸收效率的关键。偏心形内包层，D形内包层，矩形内包层，六角形内包层先后被采用，实验证明，不规则、非对称性的内包层形状能使泵浦吸收效率得到有效提高。目前在实验研究中被广泛采用的还有梅花瓣形内包层结构，此外光子晶体光纤在光纤激光器中的应用也逐渐成为研究的热点。
1.2 泵浦结构
　　泵浦结构的设计是高功率光纤激光器的一项关键技术。在初始研究阶段端面泵浦和侧向泵浦结构被广泛采用，端面泵浦技术受包层横截面积的限制影响泵浦功率进一步提高。而侧向泵浦技术由于采用透镜准直聚焦而使系统稳定性下降，不利于实用化。
　　近年来人们在高功率光纤激光器泵浦结构方面又有一些新的探索，日本科学家Hiroshi Sekiguchi 提出“任意形状激光器”方案，该方案将掺稀土元素光纤盘成圆盘状或圆柱状等不同形状，在光纤缝隙间填充与光纤包层同折射率的材料，泵浦光从边缘注入，这样泵浦光的吸收面积比单根双包层光纤内包层的面积大大增加，而且泵浦光多次通过掺杂纤芯，也将使掺杂元素对泵浦光吸收更加充分。这种“任意形状”的光纤激光器有望实现更高的激光功率输出。
1.3 谐振腔
　　制备合适的光学谐振腔是高功率光纤激光器实用化的又一项关键技术。目前,高功率光纤激光器的谐振腔主要有两种，一种是采用二色镜构成谐振腔，这种方法一般需要在防震光学平台上实现，因而降低了光纤激光器的稳定性和可靠性，不利于该产品的产业化与实用化；另一种是采用光纤光栅做谐振腔，光纤光栅是透过紫外诱导在光纤纤芯形成折射率周期性变化的低损耗器件,具有非常好的波长选择特性。光纤光栅的采用，简化了激光器的结构窄化了线宽，同时提高了激光器的信噪比和可靠性，进而提高了光束质量。另外，采用光纤光栅做谐振腔可以将泵浦源的尾纤与增益光纤有机地熔接为一体，避免了用二色镜和透镜组提供激光反馈带来的损耗，从而降低了光纤激光器的阈值，提高了输出激光的斜率效率。根据对输出激光特性的不同要求可选择单模光纤光栅和多模光纤光栅作为谐振腔的反射镜，单模光纤光栅具有单一的反射峰值和很窄的反射半宽，对应的激光输出为单模，光束质量高，单色性好，但输出功率较低；多模光纤光栅是在多模渐变折射率光纤上通过紫外诱导写入的光纤光栅，能反射多个波长，反射半宽较宽，应用多模光纤光栅做腔镜的光纤激光器输出光束为多模，可实现高功率的激光输出，但输出光光束质量较差。