曹立君

摘要：随着我国近代化发展，光纤激光器输出功率也在飞速发展，由于高功率光纤激光器的超强功率，满足许多行业对输出功率的需求，被应用于工业加工、军事国防等多个领域。本文主要阐述高功率光纤激光器关键技术与进展，并对其发展趋势做出了相应评价。

关键词：高功率；光纤激光器；技术与进展

引言

高功率光纤激光器对我国各行业都有极大的促进作用，激光器的制作也被越来越多人关注。高功率光纤激光器关键技术包括光纤制作技术和激光合成技术。随着时代的发展，这两个技术不断变化发展，最终变化为我们目前常用的以下几项技术。

1.高功率光纤激光器的关键技术

1.1增益光纤制作技术

1.1.1稀土掺杂双层石英光纤

石英是光纤的主要组成成分，具有硬度大、输出功能强的特点，在制作高功率光纤激光器过程中掺杂稀土元素，可以增强高功率光纤激光器的韧性和质量，有利于延长激光器的使用寿命。为了将稀土的特殊属性更好的发挥出来，一般采用双包层技术制作光纤激光器。双包层是指光纤由纤芯、内包层和外包层和保护层构成。光纤具有极强的反射能力，激光经过内包层的全反射，可以将能量完美的传递，对于强度过大来不及反射的激光，又可以通过外包层传输，实现二次传输的目的，减少了光纤传输过程中的能量损耗。光纤激光器的传输能力与纤芯直径的大小有很大的关系，纤芯直径越大，运输的激光的利用率就越大，反之则越小。随着科学技术的不断发展，光纤纤芯直径发生了很大变化，光纤的形态也从单一的圆柱形发展到了多边形，相关人员对光纤纤芯规格参数也做了一定研究，根据光纤的实际应用，光纤纤芯的制作规格有所不同。制作高功率光纤激光器的纤芯直径不能过大，也不能过小，纤芯直径过大会降低光纤输出激光的光束质量，影响激光器的功能，而纤芯直径过小，无法满足激光器高功率的需求，因此光纤的制作是高功率光纤激光器的重要过程。

1.1.2稀土掺杂光子晶体光纤

光子晶体的概念于1987年提出，而光子晶体光纤的概念最早由Russell.ST.J等人于1992年提出，简称PCF。它是在石英光纤中沿轴向均匀排列空气孔，从光纤端面看，存在周期性的二维结构。与普通单模光纤不同，PCF是由其中周期性排列空气孔的单一石英材料构成，所以又被称为多孔光纤或微结构光纤。PCF具有特殊的单模传输特性、弯曲特性、色散特性和非线性特性等，具有普通光纤不具备的优点，通过改变空气孔的大小和排列而使PCF特性改变的可调节性，预示着PCF将会有广泛的应用前景。在稀土掺杂双包层石英光纤的MCVD工艺中，只能通过纤芯直径和数值孔径的控制才能实现单模输出。这种方法存在两个问题，一是纤芯直径的增加受到工艺和其他参数的限制不能精确控制。而稀土掺杂双包层PCF的导波性质主要取决于光纤的结构而与材料无关，可以将稀土掺杂双包层PCF的模场面积增大，以降低光纤内的功率密度和控制光纤产生非线性现象，目前这种具有大模场面积的稀土掺杂双包层PCF已在高功率光纤激光器研制中受到重视，并将进一步提高光纤激光器的功率水平。

1.2泵浦光耦合技术

1.2.1端面耦合技术

端面耦合技术主要运用于双包层光纤中，具体步骤为将泵浦光聚集到光纤的内包层的端面处，直接耦合到双包层光纤中。端面耦合技术的优势在于操作简单、易于实现。将泵浦光直接耦合传输，提高了光纤的传输功率。但该技术也存在劣势，一方面由于强度过大的泵浦光耦合能量，易造成光纤端面的损耗，很大程度增加了光纤的报废率，另一方面，耦合光束过于集中，光纤端面接受面积太小，光纤稍有移动，就会造成很大误差，传输的光束质量也会极度下降。随着端面耦合技术不断改进发展，光纤合束器耦合方式应运而生。光纤合束器耦合技术可以满足高功率光纤激光器的运输需求，同时可以实现多个泵浦源的同时泵浦，也降低了光纤端面的损耗率，进一步提高了激光器的工作效率，解决了传统光束传输的很多弊端。

1.2.2侧面耦合技术

侧面耦合技术是将双包层光纤的一段涂敷层以及其外包层剥除后，在内包层的一个侧面，泵浦光经一定的耦合方式注入双包层光纤内层。该技术与端面耦合技术不同的是端面耦合技术是将泵浦光聚焦到光纤包层的端面处，而侧面耦合技术是将泵浦光聚集在光纤侧面再直接耦合。该技术弥补了耦合技术中由于光束强度、能量过高而造成光纤端面损伤的缺陷，侧面耦合技术增加了光纤接受泵浦光的面积，减少了光纤的破损。但侧面耦合技术对工艺要求较高，不易实现，也无法达到多点分布式泵浦的要求。因此为了解决侧面耦合技术无法实现多点分布式泵浦的缺陷，研究人员推出了斜角光纤耦合技术和棱镜耦合技术。斜角光纤耦合技术和棱镜耦合技术可以简单、有效的实现多点分布式泵浦要求，是光纤耦合技术的一大进步。这两种技术主要是依靠光纤和泵浦光的一个最佳斜角，该斜角可以产生最大功率的输出，从而极大程度的提高光纤激光器的工作效率。

1.3模式控制技术

模式控制技术主要是为了提高光纤激光器的工作效率，解决随着光纤纤芯直径增大，输出光束质量下降的问题。模式控制技术可以通过多次模拟实验操作，判断、推断出光纤输出功率、光束质量和光纤损伤之间的大致关系，确定光纤纤芯直径和光束质量的最大限度，根据实际情况，制作相应的光纤激光器。若需要的是高频率、高效率的高功率激光器，就可以适当增大光纤纤芯的直径，若要求高質量的光束，就不能只追求速度和时间了，只能根据相应参数，制作纤芯直径小的高功率光纤激光器。模式控制技术可以有效降低光纤激光器的制作成本，减少了不必要的光纤浪费。

1.4激光合成技术

1.4.1激光波长合成

激光波长合成光束主要是将一些波长、频率相近的激光合成，从而得到质量较好的光束。由于合成激光的波长相近，所以激光波长合成操作较为简单、易于实现。但激光波长合成光束的输出功率普遍较低，相关研究人员就又对该激光合成技术做了科学改革。在高功率光纤激光器中，激光在低频率的谐振腔中达到一个稳定的波长，在其稳定的基础上实现光束叠加，光束叠加之后再通过功率放大，就获得了高功率的激光。这样避免了在高频率中激光性质不稳定而造成光束质量劣化的问题，既达到了实际应用中对光束的要求，又获得了需要的功率输出。

1.4.2激光功率相干合成

激光功率相干合成光束主要是将多路激光光束经过相干控制后合成一束光。该激光合成光束降低了对激光频率、功率和波长的要求，波长相差较大的激光可以通过相干控制合成一道光束，从而满足实际生活中对激光多变的需求，也可以将多路功率小的激光通过相关控制进行合成，从而得到高功率的激光。但激光的相干控制技术较为复杂，操作难度系数大，对操作员的要求也更高。

结语

高功率光纤激光器的发展和完善，有利于我国科学技术的发展。光纤制作工艺和研究都是国内外关注的焦点，相信在未来，我国研究人员一定能完善光纤制作工艺，制造出简易、符合要求的高功率光纤激光器。

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