大功率激光器技术及应用详解

所谓光纤大功率激光器，就是利用稀土掺杂光纤作为增益介质的激光器，其发展历史几乎和激光技术一样悠久。早在20世纪60年代初，美国光学公司的E. Snitzer等人就提出了掺稀土元素的光纤激光器和放大器的设想，但直到80年代，随着激光二极管泵浦技术的发展和双包层光纤的提出，光纤大功率激光器才进入蓬勃发展阶段。近十年来，适合各种应用目的和领域的光纤激光器如雨后春笋般在世界各地出现。

　　光纤大功率激光器与传统激光器相比具有很大的优势：输出光束质量好、体积小、无需冷却或冷却结构简单、能量转换效率高等。大大降低了运营成本，使其发展迅速。

　　1.工作原理和关键技术

　　和其他类型的激光器一样，大功率激光器主要由泵浦源、谐振腔和增益介质组成，包括泵浦LD、DCDF、大模场FBG和光纤合束器，的所有器件都可以由光纤介质制成，因此光纤技术是决定光纤大功率激光器性能的关键因素。

　　2.特种光纤技术

　　起初，大功率激光器使用直径小于10m的掺杂纤芯作为激光和泵浦光的公共波导。由于LD泵浦光只能从表面积较小的端面进入纤芯，且只能用单模LD泵浦，泵浦耦合效率很低，输出功率不高，限制了其应用。1988年，提出了基于包层泵浦技术的双包层光纤来解决这一问题。

在单包层光纤的基础上，在掺杂纤芯周围增加一个内包层作为泵浦光的传输波导。多模泵浦光可以在内包层中传输并连续通过纤芯被掺杂离子吸收，而产生的激光仍然通过纤芯波导传输，保证其高光束质量。内包层直径一般为40 ~ 500微米，NA一般为0.2 ~ 0.5，用于传输高功率多模泵浦光。对于模场面积较大的双包层光纤，虽然其纤芯理论上支持多模，但可以通过弯曲损耗等方法输出单模激光。

由于内包层具有较大的截面积和数值孔径，可以允许千瓦级多模半导体泵浦激光进入其中，从而大大提高大功率激光器的单模输出功率。纤芯的掺杂浓度是获得高泵浦吸收、避免浓度猝灭效应和热问题、减少背景损耗的标准。

事实上，光纤的损伤阈值高(一般为1.5W/μm2)，易于达到高功率，转换效率高，通过选择不同的稀土掺杂或不同反射特性的光栅，可以得到很宽工作波长范围的光纤大功率激光器。