1 引言
光纖雷射器於2023年發明，到20世紀80年代末第一批商用光纖雷射器面市，經歷了20多年的發展歷程。光纖雷射器被人們視為一種超高速光通訊用放大器。光纖雷射器技術在高速率大容量波分復用光纖通訊系統、高精度光纖感測技術和大功率雷射等方面呈現出廣闊的應用前景和巨大的技術優勢。
光纖雷射器有很多獨特優點，比如：雷射閾值低、高增益、良好的散熱、可調諧引數多、寬的吸收和輻射以及與其他光纖裝置相容、體積小等。近年來光纖雷射器的輸出功率得到迅速提高。
已達到10—100 kw。作為工業用雷射器,現已成為輸出功率最高的雷射器。光纖雷射器的技術研究受到世界各國的普遍重視，已成為國際學術界的熱門前沿研究課題。
其應用領域也已從目前最為成熟的光纖通訊網路方面迅速地向其他更為廣闊的雷射應用領域擴充套件。本文簡要介紹了光纖雷射器的結構、工作原理、分類、特點及其研究進展，最後對光纖雷射器的發展前景進行了展望。
2 光纖雷射器的結構及工作原理
2.1光纖雷射器的結構
和傳統的固體、氣體雷射器一樣。光纖雷射器基本也是由幫浦浦源、增益介質、諧振腔三個基本的要素組成。幫浦浦源一般採用高功率半導體雷射器(ld)，增益介質為稀土摻雜光纖或普通非線性光纖，諧振腔可以由光纖光柵等光學反饋元件構成各種直線型諧振腔，也可以用耦合器構成各種環形諧振腔幫浦浦光經適當的光學系統耦合進入增益光纖，．最終形成穩定雷射輸出。
圖1為典型的光纖雷射器的基本構型。
增益介質為摻稀土離子的光纖芯，摻雜光纖夾在2個仔細選擇的反射鏡之間．從而構成f—p諧振器。幫浦浦光束從第1個反射鏡入射到稀土摻雜光纖中．激射輸出光從第2個反射鏡輸出來。
2.2 光纖雷射器的工作原理
摻稀土元素的光纖放大器促進了光纖雷射器的發展，因為光纖放大器可以通過適當的反饋機理形成光纖雷射器。當幫浦浦光通過光纖中的稀土離子時．就會被稀土離子所吸收。這時吸收光子能量的稀土原子電子就會激勵到較高激射能級，從而實現離子數反轉，反轉後的離子數就會以輻射形式從高能級轉移到基態，並且釋放出能量，完成受激輻射。
從激發態到基態的輻射方式有2種：自發輻射和受激輻射。其中，受激輻射是一種同頻率、同相位的輻射，可以形成相干性很好的雷射。
雷射發射是受激輻射遠遠超過自發輻射的物理過程，為了使這種過程持續發生，必須形成離子數反轉．因此要求參與過程的能級應超過2個，同時還要有幫浦浦源提供能量。光纖雷射器實際上也可以稱為波長轉換器．通過它可以將幫浦浦波長光轉換為所需的激射波長光。例如，摻鉺光纖雷射器將980nm的幫浦浦光進行幫浦浦，輸出1550nm的雷射。
雷射的輸出可以是連續的，也可以是脈衝形式的。雷射輸出是連續的還是脈衝輸出形式主要依賴於雷射工作介質．如果是連續形式輸出，雷射上能級的自發發射壽命必須高於雷射下能級以獲得較高的粒子數反轉。如果是脈衝形式輸出．雷射下能級的壽命就會超過上能級，此時就會以脈衝的形式輸出光纖雷射器有2種激射狀態：
三能級和四能級激射。
3 光纖雷射器的分類
(1)按增益介質分類 :稀土離子摻雜光纖雷射器(nd3+、er3+．yb3+、tm3+等，基質可以是石英玻璃、氟化鋯玻璃、單晶)。非線性效應光纖雷射器(利用光纖中的srs、sbs非線性效應產生波長可調諧的雷射)。
在光纖中摻人不同的稀土離子，並採用適當的幫浦浦技術，即可獲得不同波段的雷射輸出。(2)按諧振腔結構分類:f—p腔、環形腔、環路反射器光纖諧振腔以及」8」字形腔、dbr光纖雷射器、dfb光纖雷射器(3)按光纖結構分類:
單和雙包層光纖雷射器、光子晶體光纖雷射器、特種光纖雷射器。(4)按輸出雷射型別分類: 連續光纖雷射器．超短脈衝光纖雷射器、大功率光纖雷射器。
(5)按輸出波長分類:s一波段(1460～1530 nm)、c一波段(1530～1565 nm)、l一波段(1565～ 1610 nm)。
4 光纖雷射器的特點
在雷射振盪中．將能量集中於諧振腔所選的駐波以產生相干光。在光技術中，只有光纖和波導能對光軸方向和橫模方向進行三維模控制。在以單模光纖作增益介質的光纖雷射器中無競爭橫模，因此可進行穩定的雷射振盪。
在由雷射引起的熱損傷、受激喇曼散射和受激布里淵散射發生之前，如果沒有模的競爭，那麼只要注入幫浦浦光，就能增大雷射輸出功率。雷射的增益和損耗比限制儲存於雷射介質中的能量轉換效率。因光纖本身的損耗低，與其他雷射器相比，具有超長(5—10 m以上)特徵的光纖雷射器的增益和損耗比大100倍一1000倍。
因此，即使進行模控制,也可將儲存能量幾乎無損耗地轉換成雷射(光能)。實際上，光纖雷射器的輸出功率與幫浦浦光成正比地線性增大，其轉換效率達到85％。在950 nm波段激勵,在1080 nm波段振盪的鐿量子效率為88％。
由此可知，雷射功率幾乎無損耗。例如，芯徑為40 m，長度為10 m，輸出功率為1.36 kw 的單模光纖雷射器，其實際雷射介質的體積只不過為9 mm。
這表明，尺寸為2 mmx2 mm~2．5 mm的微晶元雷射器能產生1.36 kw的輸出功率。
圖2 千瓦級光纖雷射器的體積與微晶元雷射器相同
光纖雷射器具有無競爭模、冷卻效率和雷射效率較高的優異特性。就具有超長增益幫浦浦和低損耗特性的光纖雷射器而言，如果予以幫浦浦功率，則僅端麵反射很容易實現雷射振盪，因此技術開發的關鍵在於如何注入幫浦浦光。光纖雷射器的**商美國ipg和spi公司現已開發出一種將單條ld進行光纖耦合，然後注入雙包層中第l包層的方式。
這是一種以長壽命、高亮度光纖耦合型ld作為基本部件的最佳方式。另外，科研人員還提出了光纖盤形方式，這種方式適用於光纖傳輸光的ld幫浦浦固體雷射元件，該幫浦浦方式同樣可以滿足放大千瓦以上輸出功率的要求。光纖雷射器使用光纖布喇格衍射光柵(fbg)。
對石英光纖照射紫外光，寫入調製折射率便形成一維fbg。與普通的衍射光柵相比，這種折射率略差的光柵寫入長度》l cm，幾乎無損耗，可成為選擇多波長的反射鏡。因此，即使組成多級疊加fbg雷射諧振腔，也能保持高效率的能量轉換。
例如喇曼光纖雷射器，通過**fbg諧振腔在多波長移位的情況下，也能獲得近50％的轉換效率。若將光纖連線到環上，使雙向傳輸的光發生干涉以形成動態衍射光柵。科研人員以用於重力波檢測的雷射為基礎，成功研製出單頻光纖雷射器。
yb光纖雷射器具有準三能級的能量結構，所以未被激發時，略有基態吸收。左側長為16 m的環形反射鏡等於因光干涉而形成3 000萬個吸收型衍射光柵，可進行單縱模振盪，其譜線寬度僅為2 khz。在單頻t作時，輸出穩定性極好，3 h平均穩定性僅為0.
8％。除以純模振盪的光纖雷射器達不到這種穩定性外，已商品化的光纖雷射器的穩定性為2％。利用光纖熔接技術，可通過光纖光學系統將雷射全部耦合，這也是其優點之一。
未來在宇宙空間進行重力波檢測時，這種全光纖窄帶主振動功率放大(mopa)系統有望發揮更大作用。
圖3 全光纖窄帶mopa系統
光纖雷射器具有光束***和輸出功率穩定性高的特點，因此10—100 w級的小型單模光纖雷射器在工業領域的應用價值較高。從理論上解釋，單模光纖發出的雷射應是點光源，如果充分利用光學系統．則可用理論極限的光斑直徑進行微細加工。利用這種高質量光束很容易實現掩模、微細焊接和微細加工等．並可在形狀記憶合金上加工複雜網格製成冠脈支架等。
無排斥性的雷射器最適於對厚度為0.2 mm的形狀記憶合金細管進行微公尺級加工。與其他雷射器相比，光纖雷射器具有外形緊湊體積小、高輸出功率穩定、不需水冷、綜合雷射效率高達20％一25％,且可用牆壁電等特點。
可以認為．光纖雷射器是一種雷射輸出極其方便的雷射器
5 光纖雷射器的發展前景
光纖雷射器以光纖作為波導介質，耦合效率高，易形成高功率密度，散熱效果好，無需龐大的製冷系統，具有高轉換效率、低閾值、光束***和窄線寬等優點。光纖雷射器通過摻雜不同的稀土離子可實現380—3 900 nm波段範同的雷射輸出，通過光纖光柵諧振腔的調節可實現波長選擇且可調諧。與傳統的固體雷射器相比，光纖雷射器體積小，壽命長，易於系統整合，在高溫高壓，高震動，高衝擊的惡劣環境中皆可正常運轉，其輸出光譜具有更高的可調諧性和選擇性醫療及生物市場的強勁需求驅動了飛秒(超快)雷射技術在分析儀器應用方面的快速發展。
人們正在努力對活體細胞、組織以及病毒轉移特質進行實時測量和分析．這些應用對人類攻克癌症等方面的研究至關重要。超快雷射使得在對患者進行快速，非介入性診斷時可以取得實時資訊。現有超快雷射的製造技術成本太高，系統的尺寸也非常龐大，這些制約了市場的發展。
光纖雷射器的很大一部分應用可以走到超快雷射．而且光纖雷射器的生產廠商也著重從尺寸小巧方面推薦光纖的應用。生命和健康科學是乙個非常強勁的市場．因為那裡會永遠不斷地出現新的應用，其中很多是基於雷射的應用，並且醫藥也在不斷尋求改進。雷射不再只侷限為一種外科手術工具，將會更加廣泛地應用於醫學診斷(如細胞影像)、藥檢、dna排序、細胞分類以及蛋白質分析等方面。
雷射現已廣泛應用於人們前所未聞的領域中。
未來光纖雷射器的發展趨勢將體現在以下幾個方面：(1)提高光纖雷射器的本身效能：如何提高輸出功率和轉換效率，優化光束質量，縮短增益光纖長度，提高系統穩定性並使其更加小巧緊湊，上述目標將是未來光纖雷射器領域研究的重點；(2)新型光纖雷射器的研製：
在時域方面，具有更小占空比的超短脈衝鎖模光纖雷射器一直是雷射領域的研究熱點。高功率飛秒量級脈衝光纖雷射器一直是人們長期追求的目標，該領域研究的突破不僅可以給光通訊時分復用(otdm)提供理想的光源，而且可以有效帶動雷射加工、雷射打標及雷射加密等相關產業的發展；在頻域方面，寬頻輸出並可調諧的光纖雷射器將成為研究熱點。近年來，一種採用zeblan材料(zr，ba，la，al，nd)為雷射介質的非線性光纖雷射器引起了人們的重視。
這種雷射器具有相當寬的頻寬和低損耗．可實現波長上轉換幾個波段。可以預見，隨著相關技術的完善，光纖雷射器將向更廣闊的領域發展，並有可能成為替代固體雷射器和半導體雷射器的新一代光源，形成乙個新興的產業。
綜上所述，光纖雷射器技術是乙個正在得到高度重視和迅速發展的新型技術研究熱點，所涉及的科學研究和產品應用領域十分廣泛，具有巨大的潛在應用價值和廣闊的市場前景。隨著各種型別光纖雷射器技術的逐步成熟和商業化應用，將對相關領域的發展產生巨大的推動作用，同時也將引起相關技術領域的深刻變革。
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雷射器一 固體雷射器。1.nd yag 圖1 固體雷射器nd yag 的組成圖 圖2固體雷射器nd yag 的工作原理圖 圖3 雷射腔的構造 b.nd yag雷射的光學特性 圖4 nd yag雷射的光學特性 圖5 nd yag雷射脈衝的相關引數 圖6 雷射聚焦的光學特性 聚焦一 圖7 雷射聚焦的光學...
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