附件2：高功率光纤激光器研究进展
摘要：本文首先综述了国际上高功率光纤激光器的研究进展情况，然后重点介绍了中国科学院上海光学精密机械研究所于2005年在连续光纤激光和脉冲光纤激光方面所取得的进展，采用双端泵浦技术，在15 m的国产双包层光纤中获得440 W的连续输出，采用MOPA方式，以4 m长的国产光纤作为放大介质，在100 kH2时，获得了133 W的平均功率输出。
1 引言
自1988年Snitzer等人提出双包层光纤以来，基于这种包层泵浦技术的光纤激光器和放大器获得了快速发展。特别是近年来，随着高功率半导体激光器泵浦技术和双包层光纤制作工艺的发展，光纤激光器的输出功率水平快速提升，单根光纤的输出已经从最初的几百毫瓦上升到了千瓦级水平〔1〕，并在高精度激光加工、激光医疗、光通信及国防等领域获得了广泛应用。
双包层光纤是由掺杂纤芯、内包层、外包层、保护层4部分组成，和常规光纤相比，多了一个可以传输泵浦光的内包层。纤芯由掺稀土元素的SiO2构成，它作为产生激光的波导，一般情况下是单模的。内包层由横向尺寸和数值孔径都比纤芯大的多、折射率比纤芯小的Si02构成，是泵浦光通道，对应泵浦光波长是多模，用以传输高功率的泵浦光。泵浦光进入尺寸较大的内包层，在内包层中内反射并多次穿越纤芯被掺杂离子吸收，实现激光输出或放大，获得高光束质量、高功率的激光输出。
与同等功率水平的其他激光系统相比，双包层光纤激光器无论在效率、体积、冷却和光束质量等方面，均占有明显的优势〔2〕。主要特点为：(1)输出激光光束质量好。在光束质量方面，双包层光纤激光器的输出光束质量由光纤纤芯的波导结构(纤芯直径d和数值孔径NA)决定，不会因热变形而变化，因此易于实现高光束质量的激光输出。(2)散热特性非常好。固体激光器实现高功率激光输出的主要困难在于激光介质的热效应引起光束质量及效率下降，为了有效散热需要专门的技术和系统对固体激光介质进行冷却。而双包层光纤激光系统是采用细长的掺杂光纤本身作为增益介质，表面积／体积比很大(至少是固体激光介质的l000倍以上)，因此散热性能非常好。(3)易于实现高效率和高功率，对于掺镱双包层光纤激光来说，泵浦波长975 nm和激光波长1.1 µm非常接近，量子亏损小(～90％)导致高效率，双包层结构则使得多模高功率泵浦光可以高效耦合入内包层。目前掺镱光纤激光的效率可达70％以上，总体电光效率超过20％。(4)器件结构简单，体积小巧，使用灵活方便。双包层光纤激光器由于采用柔软的掺杂光纤本身作为激光介质，泵浦源也是采用体积小巧易于模块化的高功率半导体激光器，因此稳定性好，使用灵活方便。
正是由于掺镱双包层光纤激光在效率、散热、光束质量等方面的明显优势，业已引起人们的广泛关注，是目前国际上激光技术领域研究的热点之一。特别是近两年来，单根光纤激光器的输出功率快速提升，同时，在应用方面，根据Laser Focus World的市场分析，国际上光纤激光占整个激光市场的份额也以很快的速度发展，预计2007年将达到20％，其中在激光材料处理的应用中将达到24％，在激光的空间和军事应用中将会达到59％。
2・研究进展和发展趋势
高功率双包层光纤激光的发展呈现出以下4个发展趋势：
(1)单根光纤激光的连续波输出功率从百瓦量级向千瓦量级发展，进一步提升单根光纤激光的输出功率，是高功率光纤激光发展的主要研究内容。1999年美国的V．Dominic等用4个45 W的半导体激光器从两端泵浦，获得了110 W的单模连续激光输出〔3〕，这个结果引起了人们的广泛关注。但由于光纤和泵浦源技术的限制，在此后的近3年中，单光纤激光输出功率没有获得突破进展。到2003年，随着大模场光纤技术和高功率泵浦源技术的发展，光纤激光器的输出功率水平快速提高，记录一次次被刷新。德国的IPHT、英国的SPI和著名的IPG公司分别报道了200、270和300 W的光纤激光器。在2004年初的Photonics West会议上，英国的SPI报告了l kW的光纤激光器，引起了轰动。最近南安普顿大学报道了1.36 kW连续波光纤激光器，斜率效率为83％，光束质量因子M2为1.4〔4〕,并预言通过对掺杂光纤更先进的设计和采用更高功率的泵浦源，单根光纤的输出功率有可能提高到近万瓦。
(2)从高功率连续光纤激光向高平均功率、高峰值功率的脉冲光纤激光器发展。从应用目标出发时，连续工作的光纤激光能提供的靶面功率密度较低，脉冲工作的光纤激光的应用将更广泛。双包层光纤激光器实现脉冲激光输出，大体上有三种方式：1).调Q光纤激光器，一般是通过在腔内放置声光调Q元件或熔结一段常规光纤，借助于普通光纤中的受激布里渊散射(SBS)来实现脉冲激光输出；2).借助于光纤中非线性偏振旋转采用环形腔结构实现脉冲锁模的光纤激光输出；3).基于种子光振荡放大(MOPA)的脉冲光纤激光器，用这种方式的双包层光纤作为放大器，实现对脉冲种子光的高功率放大间。在MOPA方式中，采用高光束质量、小功率的激光器作为种子光源，双包层光纤作为放大器，易于获得高平均功率、高脉冲能量的脉冲激光输出，是目前研究的热点。根据所用种子光源的不同，可实现窄线宽、皮秒和飞秒的脉冲激光的高功率放大系统，应用于各种不同的场合。除了l µm波段的掺镱脉冲光纤激光外，工作在1.5 µm人眼安全波段的高平均功率、高峰值功率的掺铒(铒镱共掺)脉冲光纤激光器更是有着非常重要的应用价值。
(3)从常规的光纤激光组束技术向相干组束技术发展。将多个高功率光纤激光器的输出按常规方式组束，虽然可以提升总的输出功率，但光束质量变差，亮度提高有限。相干组束技术则可以在提升总功率的同时，保持光纤激光器良好的光束质量，这将是高功率光纤激光器发展的很有前途的方向。
(4)光纤激光的工业应用从低功率的打标、雕刻(百瓦级)向更高功率的金属和陶瓷的切割、焊接等方面发展(千瓦到万瓦级)，在汽车和造船等行业中，结构紧凑、使用方便的高功率光纤激光器具有巨大的市场潜力，但要成功取代常规工业激光器则依赖于它能获得优良的光束质量。
3 双端泵浦的高功率光纤激光器
高性能的双包层光纤和高功率泵浦源及耦合技术是限制光纤激光器功率提升的主要原因。在双包层光纤方面，高性能掺镱双包层光纤一直是制约我国高功率光纤激光研究和推广应用的瓶颈。最近，和烽火通信科技股份有限公司合作，结合上海光机所在光纤激光技术方面的优势和烽火通信科技股份有限公司在特种掺杂光纤制作设备与技术上的优势，实现了高性能掺杂光纤的国产化。在泵浦源方面，采用独特的半导体激光光束整形技术，并对整形后的LDA进行空间拼合，获得了准直输出的高功率泵浦光束。在端面泵浦技术中，为了实现泵浦光到光纤内包层的高效、安全耦合．采用了空间滤波和非球面透镜耦合技术〔6〕，得到和光纤内包层参数相匹配的聚焦泵浦光束。
