摘 要：高功率雙包層光纖激光器是一種新型激光器系統(tǒng)，包含光纖光柵技術(shù)、激光二極管泵浦源技術(shù)、雙包層光纖制作技術(shù)和耦合技術(shù)。近年來，在國內(nèi)外激光領(lǐng)域內(nèi)引起了研究者們的廣泛關(guān)注。文章在目前國內(nèi)外已有研究的基礎(chǔ)上，圍繞高功率摻鐿雙包層光纖激光器，從應用前景、主要問題、主要優(yōu)點、核心器件和未來發(fā)展五個方面進行深入探討，梳理出近年來高功率光子晶體光纖激光器發(fā)展脈絡，以期能為研究者提供深入研究的信息。

　　關(guān)鍵詞：高功率;光子晶體光纖;激光器

　　1 高功率激光器應用前景

　　光纖激光器以其寬窄線、低閾值、可調(diào)諧、高效率、高性價比和緊湊小巧等特點受到廣泛關(guān)注，稀土摻雜光纖激光器更是被廣泛應用于工業(yè)加工、軍事、通信、測量、傳感和醫(yī)療等方面。特別是近年來，高功率雙包層光纖激光器的研究得到了飛躍進步，美國SDL、IPG和俄羅斯的IRE Polus等公司，均可以生產(chǎn)高功率雙包層光纖激光器產(chǎn)品。IPG的連續(xù)摻鐿光纖激光系統(tǒng)，功率范圍從1W能夠達到5萬W，其主要作用在多種材料的加工。IPG光子總裁Valentin Gapontsev博士說過：“高功率光纖激光系統(tǒng)的應用價值非常高，因為其可以實現(xiàn)其他激光技術(shù)無法達到的許多應用。”如今，在歐美等地區(qū)的很多發(fā)達國家，激光加工技術(shù)被實際運用在約50%到70%的汽車零部件生產(chǎn)上，上海大眾等汽車制造廠商也在使用激光加工技術(shù)進行車身和箱體等部分的焊接;日本川崎重工和其他一些造船企業(yè)，使用了高功率平板激光切割系統(tǒng)進行作業(yè);日本和歐美國家的部分大型船廠都已經(jīng)大規(guī)模配備激光加工技術(shù)，如具有一定危險性、同時又費時費力的機械加熱成型工藝，能夠被發(fā)展前景良好的激光輔助平板成型技術(shù)所取代;德國Meyer&Werft配備了4臺CO2激光器(12kW)，用于焊接不同長度的船用加勁肋;歐美一些國家正在開發(fā)工業(yè)級的光纖激光器，其輸出功率分別能達到2kW和6kW。德國國家材料及化學技術(shù)研究所(BAM)于2005年10月置備完成一套2萬W的二極管泵浦摻鐿光纖激光系統(tǒng)(YLR-20000)，其是全球性能最好的商用固體激光器，主要作用是研究合金和鋼等不同材料的處理加工，在材料加工方向上為光纖激光技術(shù)開辟了新途徑。中國目前已經(jīng)研制出一系列中小功率激光加工設備和小功率工業(yè)光纖激光產(chǎn)品，如激光打標機、切割機、焊接機、雕刻機等，各行各業(yè)都有了廣泛應用。但是，大功率光纖激光器在工業(yè)加工方面的應用還尚未起步，激光加工處理技術(shù)并未被應用于我國的船舶制造工業(yè)中[1]。

　　2 目前商品化高功率光纖激光器的主要問題

　　當前的常規(guī)摻Y(jié)b3+雙包層石英光纖，是利用纖芯和光纖包層的材料的不同，從而調(diào)整其折射率差。但光纖的損壞率較高，這是由于波導結(jié)構(gòu)的限制，維持單模傳輸?shù)睦w芯面積和光纖包層的數(shù)值孔徑較小，致使激光器高功率運作時，纖芯的能量過于密集，從而出現(xiàn)一些非線性效應;同時，材料摻雜不均還可能造成散射損耗。這幾點缺陷阻礙了光纖激光器性能的繼續(xù)發(fā)展。隨著20世紀90年代中期第一根光子晶體光纖(PCF)的出現(xiàn)，構(gòu)建有源光纖設備有了新的載體。

　　3 高功率光子晶體光纖激光器的優(yōu)勢

　　把PCF設置成雙包層結(jié)構(gòu)，在內(nèi)包層的周圍懸空放置硅網(wǎng)，硅條的厚度要小于傳輸波長，這樣形成的空氣包層，能有效增加PCF內(nèi)包層的數(shù)值孔徑，縮小內(nèi)包層的直徑，同時還保持了對泵浦光的吸收不變。并且由于增大了纖芯與內(nèi)包層的面積比，更有利于纖芯對泵浦光的吸收，縮短PCF的工作長度。設計為大模面積和縮短吸收長度，能夠明顯削減非線性效應。此外，因為PCF具有無限單模傳輸?shù)奶匦裕褂枚嘈倦p包層PCF可實現(xiàn)激光的相干合成，會顯著增強光纖激光器的光束質(zhì)量和輸出功率，對光纖激光技術(shù)的發(fā)展必然會起到巨大的推動作用。

　　4 核心元件-雙包層多芯摻雜光子晶體光纖制備

　　由于PCF的開發(fā)技術(shù)和其他方面的局限性，當前我國的研究僅限于低功率和中功率的PCF激光器，且所用PCF全部來自進口，尚未見報道國產(chǎn)光子晶體光纖用于高功率激光器的研究。筆者的研究目標是完成一個可以輸出千瓦級(如果使用更大的泵浦源，輸出功率還能更高)的高功率光纖激光系統(tǒng)。為此，要完成高功率運轉(zhuǎn)的稀土摻雜雙包層微結(jié)構(gòu)光纖的研究與制備。

　　4.1 纖芯摻雜玻璃的配方研發(fā)

　　在玻璃熔煉和配方設計調(diào)整過程中，為了縮短研發(fā)周期，往往需要事先根據(jù)玻璃所要求的各項性質(zhì)對玻璃成分進行估算設計，以免進行不必要的探索試驗和浪費原材料。分析造成這一現(xiàn)象的原因，通常來說激光玻璃由稀土離子和多組分的基質(zhì)玻璃熔煉獲得，基質(zhì)玻璃中有許多可選組分，而每種組分按不同比例配比又會得到不同物化性能的玻璃。所以在玻璃制備過程中，配方設計是尤為重要的一個環(huán)節(jié)[2]。從預測軟件和理論計算，可以在一定范圍內(nèi)縮小考察范圍，得到一系列的物理、化學和光學性能參量，并給出后期準備玻璃的溫控范圍。以下給出可能的優(yōu)秀實驗配方，結(jié)果充分說明了這些都是能生成玻璃態(tài)的配方，經(jīng)過冷卻可以形成玻璃，從實驗結(jié)果中也發(fā)現(xiàn)了合適的激光玻璃。玻璃準備和后期性能檢測實驗前后經(jīng)歷一年多時間，但這已經(jīng)大大縮短了研發(fā)周期，進一步體現(xiàn)出理論研究的巨大作用。

　　4.2 纖芯摻雜材料的制備工藝

　　硅酸鹽樣品是由傳統(tǒng)的高溫熔融技術(shù)制備的。與MCVD溶液摻雜法相比，用高溫熔融法制備玻璃樣品，能有效提高稀土離子濃度，促進摻雜光纖大功率激光的輸出。制備過程為：首先使用電子天平精確稱重，再在瑪瑙研缽內(nèi)細磨30min，使其充分混合均勻，小心避免藥品外濺。將樣品放進預先加熱至200℃的剛玉坩堝中，繼續(xù)在馬弗爐內(nèi)預熱30min;然后放入預熱至600℃的硅碳棒電爐，迅速升溫至850℃后保溫2h，再升溫至1200℃保溫1h，快速加熱至1600℃保溫3h，在30min內(nèi)降溫到1500℃保溫1h;最后將其倒在預熱至300℃的鐵質(zhì)模具上成型后快速放入退火爐精確退火(5℃/min)至室溫。具體制備工藝流程圖如圖1所示。

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