光纖激光器的歷史和激光器本身的歷史幾乎一樣長。但是由于增益光纖和泵浦光源等技術上的限制，商用光纖激光器直到20世紀末才出現。20世紀70年代以來，隨著光纖制備技術以及諧振腔結構的改進，光纖激光器有了很大的發展，特別是80年代中期英國南安普頓摻Er 3+光纖的突破，光纖激光器的實用化成為可能，并顯示出十分誘人的應用前景，受到人們的廣泛重視。90年代開始出現了雙包層摻雜光纖激光器的研究。20世紀末寶利來公司的研究人員采用包層泵浦技術，在實驗室獲得了100 W的激光輸出，使得光纖激光器的實用化進入實際階段。2001年，SDL公司推出了第l 臺商用的拉曼光纖激光器，采用Yb包層泵浦激光器泵浦光柵式級聯拉曼激光器的結構，根據這種結構可方便地設計出適合輸出1．30μm、1．45μm的諧振腔結構。IPG光子公司采用類似的結構實現了l200～l600 nm波段可選擇任意波長的激光輸出，輸出功率達到了lO W。DIANOVE．M．等人用摻有P205的光纖實現l240 nm、l480 nm處的激光輸出。2003年6月，美國IPG公司在德國激光展演示了一臺1．1μm，連續輸出10 kW的光纖激光器引起了業內的震撼！
日前光纖激光器研究與開發主要集中在大功率雙包層光纖激光器技術上。用雙包層光纖實現大功率激光輸出技術最初于1988年提出。高功率雙包層光纖激光器呈現出以下發展趨勢：
(1)單根光纖輸出功率從百瓦級向千瓦級發展，目前單根光纖激光僅在實驗室實現了千瓦級功率輸出，并且不是單橫模；
( 2)從高功率連續光纖激光向高功率脈沖光纖激光器發展，從應用目標出發時，連續工作的光纖激光能提供的靶面功率密度較低，脈沖工作的光纖激光將會更為有用；
(3)從常規的光纖激光組束技術向相干組束技術發展。
1雙包層光纖
雙包層光纖( DCF) 是高功率光纖激光器的關鍵部件，其結構如圖一 所示。雙包層光纖的基本結構包括直徑為l O～100μm的摻雜纖芯，以及直徑125～l000μm、數值孔徑約為0．45的內包層。設計雙包層光纖取決于要求的功率和光束質量。多模泵浦光被耦合進內包層，在其內傳輸2～8 m，并不斷被摻雜纖芯吸收。雙包層光纖可以通過兩端同時泵浦來提高可用泵浦功率。激光諧振腔由外部光學系統或用紫外激光在光纖芯層寫入光纖布拉格光柵(FBG)構成。纖芯可以摻雜多種不同稀士元素，對應不同的激射波長。鐿元素是可選摻雜物，因為它有寬吸收帶和最高光能量轉換效率為80％。
1．1光纖功率限制因素
由于很多因素限制，目前單模光纖激光器光功率限制在1 kW左右，這些限制光纖功率的因素主要有：
(1)光學非線性效應，包括受激布里淵散射，受激拉曼散射和自相位調制；
(2)放大自發輻射，它和激射波長競爭存貯能最，限制最大粒子數反轉和最終出射能量：
(3) 光纖的熱破裂極限大約為100 Wcm-1。在不超過熱破裂極限時，如果一在段10 m長光纖上能量消耗為15 Wm-1，一個1 kW光纖激光器會消耗<15％的泵浦吸收能量，或者說每千瓦消耗150 w的熱量；
(4) 在l 060 m處如果最大功率大于l Mw，10 μm芯徑的摻鐿光纖中脈沖激發的塊損壞閾值大于60 GWcm-2，連續和表面損壞閾值相當低約為1 Wcm-2。脈沖長度小于100 ns 時，自聚焦閾值約為4Mw，必須考慮。
增加模場直徑、加大基模增益、插入空間濾波器、增加高階模損耗、減少光纖長度、采用光子晶體或多孔光纖等都可以增加光纖最大輸出功率，使單根光纖功率達到2 kW。但獲得高功率激光的最有效方法還是利用多束光纖組合輸出。IPG公司將多束250～400 W瞥模光纖合束，獲得輸出為10 kW的高功率光纖激光系統。簡單的光纖合束固然可以獲得高功率輸出，但是輸出光束是多模的，在一些應用場合效果并不是很好。
1．2光纖壽命
雖然雙包層光纖在1 kw量級時是易于處理的，但仍有很多問題影響雙包層光纖的可靠性和壽命。例如，由于氟化聚合物包層的受損引起泵浦光衰減。氟化聚合物包層既作為泵浦波導又用為光纖的保護膜。其破壞機理如下：水和玻璃表面作用引起表面形成氫氧根群，在945nm處其吸收也隨之增加。通過控制相對濕度保持光纖溫度低于40℃時，在lO年內損耗可以小于5％。這個溫度要求在泵浦功率達到約3 kW時，光纖要水制冷，而在多根光纖打捆時只需空氣制冷即可。又如，摻鍺和摻銩光纖置于高功率脈沖激光器中，由于多光子效應會引起明顯變黑。而摻鐿光纖置于大于60 GW•cm-2(1060nm處脈沖)的激光中時，在5天內光纖的吸收不會產生變化 。
2 高功率泵浦激光二極管#p#分頁標題#e#
高功率泵浦激光二極管有3種類型：
( 1)單管芯激光二極管激光二極管芯片發光面尺寸約1μm×500μm，輸出光功率可以達到5 W，一半采用TO封裝，利用半導體冷器(TEC) 制冷。目前單管激光二極管售價為70～100美元／W。
( 2) 條狀激光二極管陣列由50個左右的單管芯片(間隔約150μm寬) 組成激光條，每個激光條可以輸出大于60 w的功率。激光條置于空氣制冷或水制冷的熱沉上。售價也是為70～100美元／W。
(3)疊層狀激光二極管陣列通過堆疊約20個激光條構成。可輸出高達l200 w的連續激光。在這種結構中散熱是主要問題，一般采用微通道制冷設計，使水在層疊的激光條之間的微小通道中流動。
在設計高功率光纖激光器時，泵浦激光二極管和光纖一樣重要。最初的設計要求采用單橫模激光二極管。但是現在雙包層光纖的出現已經改變了這一要求。激光二極管的電光轉換效率已經提高到接近50％，激光條疊層的功率量級也超過l kw。為制備具有競爭力的1 kw量級的光纖激光器，需要有可提供2.5～3 kw的功率的費用低廉的泵浦。除了激光條疊層器件很難有其他器件可提供這樣量級的激光功率。而且，為與現存Nd：YAG和CO2激光器競爭，激光二極管價格必須降至每瓦50美元以下，并在不遠的將來接近每瓦12美元。這樣的價格在激光二極管規模生產時是可以實現的。有很多生產商如LIMO，美國的nLight ，德國DiLAS和Trumpf 等可以提供輸出功率達1．2 kw的激光二極管，壽命為10 000 h。到2008年，激光二極管輸出功率量級可達二三千瓦同時壽命可達20 000 h。
3 浦激光耦合
二極管激光條／激光條疊層到雙包層光纖的耦合是增加光纖激光器輸出功率和降低激光器成本的關鍵之一。通常，通過改善激光二極管的光束質量或者通過光束轉換可以提高耦合效率。光束質量是光束能夠會聚的緊湊程度的度量。有多種參數描述這種會聚特性，最常用的是光束參數積BPP，它定義為光束束腰半徑，即W0，和光束遠場發散角半角Q0的積。在無像差的光學系統中，任何光束的這個量足個定值。
根據雙包層光纖的內包層參數要求，二極管激光條／激光條疊層輸出光應聚焦成直徑為400～1 000μm、數值孔徑NA約0．45的光束。這要求二極管激光器的BPP=100～259 mm mrad。SPI宣布將已制成的400W輸出功率耦合到直徑為400 μm的雙包層光纖。如果泵浦發射功率達到2．5 kw，它可以耦合到直徑為l mm的雙包層光纖，相應光纖激光器的輸出功率約為l kw。英國南安普敦大學光電子學研究中心于2004年6月也報道了一個摻鐿大芯徑( 43μm) 的8 m長的在l 090 nm處連續輸出1．Ol kw的光纖激光器。
4 光纖激光器相干合束
對不相干光源而言，總功率強度是由單個光源功率強度乘以光源個數和填充因子F，也就是說，所有單個光源功率之和乘以填充因子。在同相位相下光源的情況下，總功率強度則是各振幅相加然后平方，和不相干光源的情況相比，聚焦的模場半徑減小了因子M，而其他參數相同。要實現相干合束并不容易。因為單個光源的相位必須被動態地監控和調節。美國諾斯羅普•格魯曼(NOC)公司為軍隊設計了一個相干合束光纖激光器系統的原型，這里價格相對于性能是排在其后的。這個系統基于由美國Nufem公司生產的摻鐿大模場面積偏正保持光纖，每個臂的斜度效率為77％，輸出功率達150 w。每個臂的相位通過鈮酸鋰波導相位調整器控制。原則上系統可以升級到足夠高的功率從而取代化學激光器作軍事應用——導彈防護，目標照明和襲擊地面目標。然而這種結構不太可能用于商用系統，因為它復雜而且費用昂貴，但是它對光纖激光器和激光二極管相干陣列器件技術的發展是一個很好的驅動，是它們可以借鑒的技術儲備源。#p#分頁標題#e#
5 光纖激光器設計
工業激光器可分為基本兩類：連續和脈沖。脈沖激光器在鉆孔和切割時在減少熱損壞一熱影響區(HAZ)一( 當脈沖寬度與材料中熱擴散時間相比很小時，大部分熱量會消散) 上很有用。在敲擊切割時它是材料的切除刀。而對于光纖激光器，光纖可作為一個由連續或脈沖也即準連續(QCW) 激光二極管泵浦的激光振蕩器或放大器。在準連續( QCW) 時，可達毫秒量級的泵浦脈沖寬度，無須采用振蕩器/放大器結構。
5．1 連續(CW)/長脈沖（-1ms) 光纖激光器
如圖二所示，連續光纖激光器的設計相對比較簡單，它可由不同廠商提供的現存元件裝配制作，輸出功率至少可以達到lO～20 w。二極管泵浦組件可以由單發射器、激光條甚至是疊層器件，它被熔接到光纖激光器組件集合。光到光的轉換效率達到80％，是激光二極管泵浦棒設計的轉換效率的兩倍多，而且可以升級至l kW。為達到脈沖工作，連續泵浦激光二極管由脈沖激光二極管取代，或者由和連續二極管激光器平均功率相同，但是可以產生峰值功率2～4倍于平均連續功率，脈寬小于1 ms的準連續(QCW) 激光二極管取代(SPI供應一種平均功率l00 w的器件，其峰值功率為400 W，占空因子為25％) 。
5．2 脈沖光纖激光器——種子激光振蕩放大（MOPA)
為滿足大多數軍事和宇航應用，需要納米量級(10～100ns )的短脈沖，必須用光纖作為放大器連到主諧振腔上。諧振腔被直接調制或基于聲光器件進行Q-開關調制，以保證在脈沖重復頻率20～50 kHz的1～500 ns的脈沖中有約1～l00 mJ的脈沖能量，這樣可得高達100 W的平均功率。脈沖激光器設計比連續激光器復雜得多，費用也高得多。
6 應用
高功率光纖激光器可能的應用包括：激光焊接(小于l mm的窄區) 、熱處理、激光燒結、覆層塑料熱合( 焊接)、軟焊涂料剝除、連續縫焊激光成型、環氧固化自由形態加工、點焊醫學應用、激光二極管泵浦應用激光照明以及表面溶解混合成型等。最可能的應用是在大尺寸制造領域，目前還沒有發揮很大的作用。其中一些領域被看作是有發展潛力的領域，包括：汽車、采暖通風與空調( HVAC) 、導管制造業、大型金屬結構等。光纖激光器有多種軍事應用。例如用于目標捕獲的激光指示器( 單脈沖能量大于l00 mJ ) 、激光測距儀(單脈沖能量大于l00 mJ，脈寬小于lOns) 以及功率大于100 kW( 目標是1 Mw) 的激光武器。得到美國國防部高級研究計劃署( DARPA) 資助的美國諾斯羅普•格魯曼( NOC) 公司以及SPI 和IPG公司利用多光束相干合束技術研究高功率光纖激光器，為機載和艦載應用開發高于l00 kW的光纖激光武器。
7 光纖激光器的優越性
光纖激光器成為研究熱點和應用寵兒當然是由于它具有多種優越性能。
( 1 )它具有高的光束質量，可以輕易接近衍射極限，M2 常常可以接近于1。
由于光束產生限制在細小的纖芯中，事實上這意味著它非常直，并且能被聚焦成極小的點，因而在打標、切割等應用中效率極高。
( 2 )它能達到非常高的功率和功率密度。
光纖激光器的功率還在不停地被提高。前面已經指出，現在已經制造了單纖功率超過1 kW 的光纖激光器，可以期待不用太久就會出現單纖功率達到10 kW 的光纖激光器。而光纖束集成的光纖激光器現在已經有50 kW 的產品在銷售， 可以預計，光輸出功率再提高10 倍到500 kW 也是可能的。由于其在高功率的同時具有很好的光束質量， 所以可以獲得非常高的功率密度。
( 3 )它非常高效并且容易冷卻。
光纖激光器一般可將70% ～80%的進入光纖的泵浦能量轉換為輸出激光。這可以更好地節能， 同時這也意味著光纖激光器只有很少能量被轉化為熱。所以即使千瓦級的光纖激光器也只需簡單可靠的風冷就足夠了。同時，細長的光纖具有很高的表面積/體積比，產生的熱量沿著光纖長度分布，這樣散熱很快，損耗小，因此帶來一個額外的好處是泵浦閾值功率也相當低(如摻Yb3 + 光纖激光器的泵浦閾值功率可低至10-4W 量級) 。對于四能級系統，泵浦閾值的降低也許不太重要，而對于三能級系統，需要較高的泵浦光強度來達到閾值，如果采用體材料增益介質， 則唯有較大泵浦功率才能激射； 采用光纖結構就可利用很小的泵浦功率來獲得激光輸出。
( 4 )光纖激光器具有極佳的穩定性、可靠性。
通常傳輸光束需要借助于光纖的柔繞性質將它轉移到目的地(如用于內臟系統的激光醫療) 。而激光耦合需要極為精確的調校。所以常規激光器對碰撞、震動等非常敏感， 一旦光路失準， 就會失效。而光纖激光器本身就是光纖結構， 十分便于使用。同時這種波導結構與標準通信光纖和現有的光纖器件如耦合器、偏振控制器、調制器和濾波器等完全兼容， 并且具有極小的插入損耗(可做到小于0. 01 dB ) ， 故可以制作出完全由光纖器件組成的全光纖傳輸系統， 不必經過光電轉換可直接對光信號進行放大和處理， 利于實現超長距離超高速度的信號傳輸。其高度穩定性帶來的好處之一就是使用壽命極長(可達十萬小時以上) ， 基本上其使用壽命只受限于泵浦半導體激光器， 維護方便，甚至實際上是不需要維護的。#p#分頁標題#e#
8 光纖激光器的發展趨勢
類似于塊狀介質固體激光器， 光纖激光器的研究正朝超快、單頻、超高平均和/或峰值功率、超連續等極限方向發展， 另外還需要擴展新的激光波段，拓寬激光器的可調諧范圍，而光纖激光器系統則還需要繼續小型化、智能化。目前尤以高功率雙包層光纖激光器的研究為焦點。
光纖激光器的發展呈現出以下四大趨勢：
( 1 ) 單根光纖激光的連續波輸出功率從百瓦量級、千瓦量級向萬瓦量級發展，在保持光束質量不變差的前提下大大提升單根光纖激光的輸出功率，將是高功率光纖激光發展的主要研究內容之一。2004 年南安普頓大學報道了1. 36 kW 連續波光纖激光器， 斜率效率為83% ， 光束質量因子M2 為1. 4，并預言通過對摻雜光纖更先進的設計和采用更高功率的泵浦源， 單根光纖的輸出功率有可能提高到近萬瓦。
( 2 ) 從高功率連續光纖激光向高平均功率、高峰值功率的脈沖光纖激光器發展。在許多應用中，由于連續工作的光纖激光能提供的靶面功率密度較低而不能滿足要求， 脈沖工作的光纖激光則能提供更高的功率密度， 從而能滿足需求。雙包層光纖激光器實現脈沖激光輸出， 大體上有三種方式：
①調Q 光纖激光器， 一般是通過在腔內放置聲光調Q 元件或熔結一段常規光纖， 利用普通光纖中的受激布里淵散射( SBS) 來實現脈沖激光輸出；
②鎖模光纖激光器，利用光纖中非線性偏振旋轉采用環形腔結構實現脈沖鎖模的光纖激光輸出；
③采用基于種子激光振蕩放大(MOPA ) 的脈沖光纖激光器。在此方式中，將高光束質量、小功率的激光器作為種子光源， 雙包層光纖作為放大器，容易獲得高平均功率、高脈沖能量的脈沖激光輸出，是目前的研究熱點。根據所用種子光源的不同，可實現窄線寬、皮秒和飛秒的脈沖激光的高功率放大系統，能應用于各種不同的場合。
光纖激光器的很大一部分應用可以使用超快激光，但現有的超快激光器的制造技術成本太高，系統的尺寸也過于龐大， 這些嚴重制約了它們的應用價值。因此發展高功率密度的超快脈沖激光器要特別注意降低它們的成本和減小尺寸。
( 3 ) 從常規的光纖激光組束技術向相干組束技術發展。將多個高功率光纖激光器的輸出按常規方式組束，雖然可以提升總的輸出功率，但光束質量變差，亮度提高有限。相干組束技術則由于光束間的互相耦合， 可以在保持光纖激光器光束質量的同時， 提升總功率。這將是高功率光纖激光器發展的一個很有前途的方向。
( 4 ) 光纖激光的工業應用從低功率的打標、雕刻(十瓦、百瓦級) 向更高功率的金屬和陶瓷的切割、焊接等方面發展(千瓦到萬瓦級) ， 在汽車工業和船舶工業中， 結構緊湊、使用方便的高功率光纖激光器具有巨大的市場潛力， 但要成功取代常規工業激光器則依賴于它能獲得優良的光束質量、更低的價格以及企業良好的售后服務。
9 結論
過去10年光纖激光技術在輸出功率、光束質量和亮度等方面取得了巨大進步。因為光纖激光器的高效率會進一步降低電功率需求( 有可能減小l ／2)，在工業制造方面有進一步突破，而這些新的制造技術會引發更多的目前尚未實現或等待開發的新設計和加工方法。高功率光纖激光器最終將會成為制造業的主流設備之一。
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