摘要：作為固體激光器的一員，光纖激光器以其結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單緊湊、體積小，工作穩(wěn)定可靠，易于集成等特點(diǎn)，一直被認(rèn)為是固體激光器技術(shù)實(shí)用化的最佳選擇。高功率光纖激光除在科研、工業(yè)加工和醫(yī)療保健等領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用外，在軍事國(guó)防領(lǐng)域也有著巨大的應(yīng)用價(jià)值。海灣戰(zhàn)爭(zhēng)等高技術(shù)戰(zhàn)爭(zhēng)的實(shí)踐表明，光電武器裝備對(duì)戰(zhàn)術(shù)武器性能起決定性作用。近十年來(lái)，高功率光纖技術(shù)已成為激光技術(shù)領(lǐng)域的熱點(diǎn)研究技術(shù)之一。本文介紹了光纖激光器的背景及最新成果，雙包層光纖激光器的原理與特點(diǎn)。

關(guān)鍵詞： 雙包層光纖   光纖激光器  摻雜光纖

 早在1961年，美國(guó)光學(xué)公司（American Optical Corporation）的Snitzer等就提出了光纖激光器的構(gòu)想，但由于受當(dāng)時(shí)條件的限制，研究進(jìn)展非常緩慢。進(jìn)入20世紀(jì)80年代中期，Townsend等發(fā)明了溶液摻雜技術(shù)（Solution doping technique）。此后，Poole等用改進(jìn)的化學(xué)氣相沉積法（MCVD）研制成低損耗的摻鉺光纖，一些實(shí)驗(yàn)室開(kāi)始從摻鉺光纖中得到了波長(zhǎng)1.5um、高達(dá)30dB的光放大增益，引起了人們的高度重視。到80年代中后期，基于半導(dǎo)體激光器泵浦的摻鉺光纖激光器和低損耗的石英單模光纖制造技術(shù)，為光纖通信的迅猛發(fā)展奠定了強(qiáng)有力的技術(shù)基礎(chǔ)。正是由于摻鉺光纖放大器為光纖通信所帶來(lái)誘人前景的驅(qū)動(dòng)，引發(fā)了80年代中后期稀土摻雜光纖激光器的研究熱潮。隨后Hanna等紛紛報(bào)道摻鉺、釹、鐿、銩及鉺/鐿共摻等光纖激光器。但當(dāng)時(shí)采用的稀土摻雜光纖為單包層光纖，泵浦光必須直接耦合到直徑僅僅幾微米的單模纖芯中，這對(duì)泵浦源的激光模式提出了較高的要求，導(dǎo)致泵浦源昂貴且耦合效率低。因此，傳統(tǒng)的稀土摻雜光纖激光器只能作為一種低功率的光子器件。1）與傳統(tǒng)的半導(dǎo)體激光器不同，光纖激光器以摻雜稀土元素的光纖作為工作介質(zhì)，采用反饋器件構(gòu)成諧振腔，在泵浦光的激勵(lì)下，光纖內(nèi)摻雜介質(zhì)產(chǎn)生受激發(fā)射，進(jìn)而形成激光振蕩輸出激光。但常規(guī)的光纖激光器因需要將泵浦光耦合進(jìn)入直徑低于10um的單模纖芯，因而耦合效率低，限制了光纖激光器的輸出功率。但是在大多數(shù)應(yīng)用領(lǐng)域需要超過(guò)瓦量級(jí)的輸出功率，再加上光纖制作技術(shù)、泵浦光源以及光學(xué)技術(shù)的限制，光纖激光器的發(fā)展一直比較緩慢。

光纖激光是當(dāng)前的熱門話題。ROFIN與TRUMPF分別收購(gòu)NUFERN與SPI公司發(fā)展光纖激光已三年，今春上海慕尼黑激光展上，ROFIN展出了2KW光纖激光器，但全球高功率光纖激光器市場(chǎng)依然是IPG一統(tǒng)天下。繼上年SALVAGNINI與LASER PHOTONICS等公司展出用其的光纖激光器之切割機(jī)后，2010年11月在亞特蘭大的FABTECH 與漢諾威的EUROBLECH 展會(huì)上又推出愈來(lái)愈多的光纖激光切割機(jī)。欣喜的是一批海歸博士矢志回國(guó)創(chuàng)業(yè)，創(chuàng)建了武漢銳科光纖激光、西安炬光等公司，研發(fā)生產(chǎn)高功率光纖激光器與二極管激光泵源，相信有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的4KW連續(xù)波光纖激光器不久將會(huì)呈現(xiàn)在國(guó)人面前。2）

較之傳統(tǒng)光纖激光器，雙包層光纖激光器采用具有雙包層結(jié)構(gòu)的摻雜光纖作為工作介質(zhì)。泵浦光在多模內(nèi)包層中傳輸，內(nèi)包層具有大的數(shù)值孔徑和橫向尺寸，就使得采用多模LD陣列作為泵浦源成為可能。隨著泵浦光在光纖中傳輸，纖芯中的摻雜介質(zhì)吸收能量產(chǎn)生粒子數(shù)反轉(zhuǎn)并產(chǎn)生受激躍遷，在光反饋的作用下產(chǎn)生激光振蕩。

雙包層光纖激光器以其高輸出功率、低閾值、高效率、窄線寬和可調(diào)諧等顯著優(yōu)勢(shì)，越來(lái)越受到人們的青睞。

雙包層光纖是一種特殊結(jié)構(gòu)的光纖，是雙包層光纖激光器的核心，其結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1：雙包層光纖結(jié)構(gòu)示意

雙包層摻雜光纖由纖芯、內(nèi)包層、外包層和保護(hù)層四個(gè)層次組成。內(nèi)包層的作用：一是包繞纖芯，將激光輻射限制在纖芯內(nèi)；二是將泵浦光耦合到內(nèi)包層，使之在內(nèi)包層和外包層之間來(lái)回反射，多次穿過(guò)單模纖芯被其吸收。在雙包層結(jié)構(gòu)中，泵浦光的吸收率和內(nèi)包層的幾何形狀和纖芯在包層結(jié)構(gòu)中的位置有關(guān)。此外，泵浦光被摻雜稀土離子的吸收率正比于內(nèi)包層和外包層的面積比。