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国内外高功率光纤激光器研发历程回顾

导读: 从1960 年第一台激光器(美国Maiman 等首先用红宝石晶体获得了激光输出) 问世到现在近50 年过去了, 激光技术确如人们所期, 渗入了各行各业:通信、生物技术、医学、印刷、制造、军事、娱乐业等。在某些领域,它已经成为不可替代的核心技术。

  ——从1960 年第一台激光器(美国Maiman 等首先用红宝石晶体获得了激光输出) 问世到现在近50 年过去了, 激光技术确如人们所期, 渗入了各行各业:通信、生物技术、医学、印刷、制造、军事、娱乐业等。在某些领域,它已经成为不可替代的核心技术。但是激光产业规模还不够大,究其原因,不是人类不需要激光,而是传统激光器不好用:成本高、效率低、故障多。光纤激光器的出现带来了扩大激光产业规模的希望。光纤激光器激光光束质量好, 电-光转换效率高,输出功率大;所有的半导体器件及光纤组件都可以融接成一体,避免了元件的分立,可靠性得到极大提高。

  1 国外高功率光纤激光器发展概况

  光纤激光器的最早有关研究可以追溯到20 世纪60 年代初期,当时激光器刚刚出现不久,人们对激光器的研究投入了极大热情,积极研制开发各种新型激光器。1961 年,美国光学公司的E. Snitzer 等在光纤激光器领域进行了开创性的工作, 他们利用棒状掺钕(Nd3+)玻璃波导获得了波长1.06μm 的激光。

  20 世纪70 年代,光纤通信的研究开始起步,新兴的光纤通信系统对新型光源的需求极大地刺激了激光器的研究工作。但由于人们的注意力集中到迅猛发展的半导体激光器技术上,以及光纤激光器自身的一些当时无法克服的困难,光纤激光器的研究逐渐沉寂下来。尽管如此,仍然取得了一些值得一提的成就。例如,1973 年,J. Stone 等成功地研制出能够在室温下连续工作的掺钕光纤激光器,他们采用的半导体注入型激光器终端泵浦方式对以后实用型光纤激光器的研究具有重要的意义。

  20 世纪80 年代, 英国Southampton 大学的S. B.Poole 等用MCVD 法成功地制备了低损耗的掺钕和掺铒光纤,因为掺铒光纤光纤激光器的激射波长恰好位于通信光纤的1.55μm 低损耗窗口, 人们开始认识到光纤放大器和光纤激光器在提高传输速率和延长传输距离等方面无疑将给光纤通信带来一场革命。掺铒光纤放大器(EDFA)得到了迅速的发展并成为一项成熟的应用技术。但是,光纤通信用的光纤激光器输出功率一般都是毫瓦级,一直以来只局限于光通讯等领域;同时由于巨大的行业差距,几乎无人把它与激光加工等联想到一起。然而,对于大多数的激光应用领域,相比于毫瓦级,我们更需要瓦级的光功率输出。

  1988 年Snitzer 等人提出了双包层的泵浦技术,改变了人们对光纤激光器只能产生小功率输出的看法,使得利用光纤激光器产生大功率和高亮度的激光输出成为可能。

  初期人们主要研究掺Nd3+包层泵浦光纤激光器,因其为4 能级系统, 阈值功率低等优点。1992 年Minelly 等人报道了输出功率大于1W 的Nd 掺杂双包层光纤激光器。1993 年,在包层泵浦掺Nd3+光纤激光器实验中,H. Po 等得到了输出功率5W、斜率效率51%的激光;1995 年,H. Zellmer 等报道了输出波长为1064nm、功率为9.2W 的双包层泵浦的掺Nd3+光纤激光器,斜率效率仅为25%,主要是因为采用了圆形包层泵浦结构导致单模芯层对泵浦光的吸收不够充分。

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