光纤激光器的历史和激光器本身的历史几乎一样长。但是由于增益光纤和泵浦光源等技术上的限制，商用光纤激光器直到20世纪末才出现。20世纪70年代以来，随着光纤制备技术以及谐振腔结构的改进，光纤激光器有了很大的发展，特别是80年代中期英国南安普顿掺Er 3+光纤的突破，光纤激光器的实用化成为可能，并显示出十分诱人的应用前景，受到人们的广泛重视。90年代开始出现了双包层掺杂光纤激光器的研究。20世纪末宝利来公司的研究人员采用包层泵浦技术，在实验室获得了100 W的激光输出，使得光纤激光器的实用化进入实际阶段。2001年，SDL公司推出了第l 台商用的拉曼光纤激光器，采用Yb包层泵浦激光器泵浦光栅式级联拉曼激光器的结构，根据这种结构可方便地设计出适合输出1．30μm、1．45μm的谐振腔结构。IPG光子公司采用类似的结构实现了l200～l600 nm波段可选择任意波长的激光输出，输出功率达到了lO W。DIANOVE．M．等人用掺有P205的光纤实现l240 nm、l480 nm处的激光输出。2003年6月，美国IPG公司在德国激光展演示了一台1．1μm，连续输出10 kW的光纤激光器引起了业内的震撼！

　　日前光纤激光器研究与开发主要集中在大功率双包层光纤激光器技术上。用双包层光纤实现大功率激光输出技术最初于1988年提出。高功率双包层光纤激光器呈现出以下发展趋势：
(1)单根光纤输出功率从百瓦级向千瓦级发展，目前单根光纤激光仅在实验室实现了千瓦级功率输出，并且不是单横模；
( 2)从高功率连续光纤激光向高功率脉冲光纤激光器发展，从应用目标出发时，连续工作的光纤激光能提供的靶面功率密度较低，脉冲工作的光纤激光将会更为有用；
(3)从常规的光纤激光组束技术向相干组束技术发展。

1双包层光纤
双包层光纤( DCF) 是高功率光纤激光器的关键部件，其结构如图一 所示。双包层光纤的基本结构包括直径为l O～100μm的掺杂纤芯，以及直径125～l000μm、数值孔径约为0．45的内包层。设计双包层光纤取决于要求的功率和光束质量。多模泵浦光被耦合进内包层，在其内传输2～8 m，并不断被掺杂纤芯吸收。双包层光纤可以通过两端同时泵浦来提高可用泵浦功率。激光谐振腔由外部光学系统或用紫外激光在光纤芯层写入光纤布拉格光栅(FBG)构成。纤芯可以掺杂多种不同稀士元素，对应不同的激射波长。镱元素是可选掺杂物，因为它有宽吸收带和最高光能量转换效率为80％。
 
1．1光纤功率限制因素
由于很多因素限制，目前单模光纤激光器光功率限制在1 kW左右，这些限制光纤功率的因素主要有：
(1)光学非线性效应，包括受激布里渊散射，受激拉曼散射和自相位调制；
(2)放大自发辐射，它和激射波长竞争存贮能最，限制最大粒子数反转和最终出射能量：
(3) 光纤的热破裂极限大约为100 Wcm-1。在不超过热破裂极限时，如果一在段10 m长光纤上能量消耗为15 Wm-1，一个1 kW光纤激光器会消耗<15％的泵浦吸收能量，或者说每千瓦消耗150 w的热量；
(4) 在l 060 m处如果最大功率大于l Mw，10 μm芯径的掺镱光纤中脉冲激发的块损坏阈值大于60 GWcm-2，连续和表面损坏阈值相当低约为1 Wcm-2。脉冲长度小于100 ns 时，自聚焦阈值约为4Mw，必须考虑。
增加模场直径、加大基模增益、插入空间滤波器、增加高阶模损耗、减少光纤长度、采用光子晶体或多孔光纤等都可以增加光纤最大输出功率，使单根光纤功率达到2 kW。但获得高功率激光的最有效方法还是利用多束光纤组合输出。IPG公司将多束250～400 W瞥模光纤合束，获得输出为10 kW的高功率光纤激光系统。简单的光纤合束固然可以获得高功率输出，但是输出光束是多模的，在一些应用场合效果并不是很好。

 

1．2光纤寿命
虽然双包层光纤在1 kw量级时是易于处理的，但仍有很多问题影响双包层光纤的可靠性和寿命。例如，由于氟化聚合物包层的受损引起泵浦光衰减。氟化聚合物包层既作为泵浦波导又用为光纤的保护膜。其破坏机理如下：水和玻璃表面作用引起表面形成氢氧根群，在945nm处其吸收也随之增加。通过控制相对湿度保持光纤温度低于40℃时，在lO年内损耗可以小于5％。这个温度要求在泵浦功率达到约3 kW时，光纤要水制冷，而在多根光纤打捆时只需空气制冷即可。又如，掺锗和掺铥光纤置于高功率脉冲激光器中，由于多光子效应会引起明显变黑。而掺镱光纤置于大于60 GW•cm-2(1060nm处脉冲)的激光中时，在5天内光纤的吸收不会产生变化 。
 
2 高功率泵浦激光二极管#p#分页标题#e#
高功率泵浦激光二极管有3种类型：
( 1)单管芯激光二极管激光二极管芯片发光面尺寸约1μm×500μm，输出光功率可以达到5 W，一半采用TO封装，利用半导体冷器(TEC) 制冷。目前单管激光二极管售价为70～100美元／W。
( 2) 条状激光二极管阵列由50个左右的单管芯片(间隔约150μm宽) 组成激光条，每个激光条可以输出大于60 w的功率。激光条置于空气制冷或水制冷的热沉上。售价也是为70～100美元／W。
(3)叠层状激光二极管阵列通过堆叠约20个激光条构成。可输出高达l200 w的连续激光。在这种结构中散热是主要问题，一般采用微通道制冷设计，使水在层叠的激光条之间的微小通道中流动。
在设计高功率光纤激光器时，泵浦激光二极管和光纤一样重要。最初的设计要求采用单横模激光二极管。但是现在双包层光纤的出现已经改变了这一要求。激光二极管的电光转换效率已经提高到接近50％，激光条叠层的功率量级也超过l kw。为制备具有竞争力的1 kw量级的光纤激光器，需要有可提供2.5～3 kw的功率的费用低廉的泵浦。除了激光条叠层器件很难有其他器件可提供这样量级的激光功率。而且，为与现存Nd：YAG和CO2激光器竞争，激光二极管价格必须降至每瓦50美元以下，并在不远的将来接近每瓦12美元。这样的价格在激光二极管规模生产时是可以实现的。有很多生产商如LIMO，美国的nLight ，德国DiLAS和Trumpf 等可以提供输出功率达1．2 kw的激光二极管，寿命为10 000 h。到2008年，激光二极管输出功率量级可达二三千瓦同时寿命可达20 000 h。

3 浦激光耦合
二极管激光条／激光条叠层到双包层光纤的耦合是增加光纤激光器输出功率和降低激光器成本的关键之一。通常，通过改善激光二极管的光束质量或者通过光束转换可以提高耦合效率。光束质量是光束能够会聚的紧凑程度的度量。有多种参数描述这种会聚特性，最常用的是光束参数积BPP，它定义为光束束腰半径，即W0，和光束远场发散角半角Q0的积。在无像差的光学系统中，任何光束的这个量足个定值。
 
根据双包层光纤的内包层参数要求，二极管激光条／激光条叠层输出光应聚焦成直径为400～1 000μm、数值孔径NA约0．45的光束。这要求二极管激光器的BPP=100～259 mm mrad。SPI宣布将已制成的400W输出功率耦合到直径为400 μm的双包层光纤。如果泵浦发射功率达到2．5 kw，它可以耦合到直径为l mm的双包层光纤，相应光纤激光器的输出功率约为l kw。英国南安普敦大学光电子学研究中心于2004年6月也报道了一个掺镱大芯径( 43μm) 的8 m长的在l 090 nm处连续输出1．Ol kw的光纤激光器。

4 光纤激光器相干合束
对不相干光源而言，总功率强度是由单个光源功率强度乘以光源个数和填充因子F，也就是说，所有单个光源功率之和乘以填充因子。在同相位相下光源的情况下，总功率强度则是各振幅相加然后平方，和不相干光源的情况相比，聚焦的模场半径减小了因子M，而其他参数相同。要实现相干合束并不容易。因为单个光源的相位必须被动态地监控和调节。美国诺斯罗普•格鲁曼(NOC)公司为军队设计了一个相干合束光纤激光器系统的原型，这里价格相对于性能是排在其后的。这个系统基于由美国Nufem公司生产的掺镱大模场面积偏正保持光纤，每个臂的斜度效率为77％，输出功率达150 w。每个臂的相位通过铌酸锂波导相位调整器控制。原则上系统可以升级到足够高的功率从而取代化学激光器作军事应用——导弹防护，目标照明和袭击地面目标。然而这种结构不太可能用于商用系统，因为它复杂而且费用昂贵，但是它对光纤激光器和激光二极管相干阵列器件技术的发展是一个很好的驱动，是它们可以借鉴的技术储备源。#p#分页标题#e#

5 光纤激光器设计
工业激光器可分为基本两类：连续和脉冲。脉冲激光器在钻孔和切割时在减少热损坏一热影响区(HAZ)一( 当脉冲宽度与材料中热扩散时间相比很小时，大部分热量会消散) 上很有用。在敲击切割时它是材料的切除刀。而对于光纤激光器，光纤可作为一个由连续或脉冲也即准连续(QCW) 激光二极管泵浦的激光振荡器或放大器。在准连续( QCW) 时，可达毫秒量级的泵浦脉冲宽度，无须采用振荡器/放大器结构。

 

5．1 连续(CW)/长脉冲（-1ms) 光纤激光器
    如图二所示，连续光纤激光器的设计相对比较简单，它可由不同厂商提供的现存元件装配制作，输出功率至少可以达到lO～20 w。二极管泵浦组件可以由单发射器、激光条甚至是叠层器件，它被熔接到光纤激光器组件集合。光到光的转换效率达到80％，是激光二极管泵浦棒设计的转换效率的两倍多，而且可以升级至l kW。为达到脉冲工作，连续泵浦激光二极管由脉冲激光二极管取代，或者由和连续二极管激光器平均功率相同，但是可以产生峰值功率2～4倍于平均连续功率，脉宽小于1 ms的准连续(QCW) 激光二极管取代(SPI供应一种平均功率l00 w的器件，其峰值功率为400 W，占空因子为25％) 。

5．2 脉冲光纤激光器——种子激光振荡放大（MOPA)
    为满足大多数军事和宇航应用，需要纳米量级(10～100ns )的短脉冲，必须用光纤作为放大器连到主谐振腔上。谐振腔被直接调制或基于声光器件进行Q-开关调制，以保证在脉冲重复频率20～50 kHz的1～500 ns的脉冲中有约1～l00 mJ的脉冲能量，这样可得高达100 W的平均功率。脉冲激光器设计比连续激光器复杂得多，费用也高得多。

6 应用
高功率光纤激光器可能的应用包括：激光焊接(小于l mm的窄区) 、热处理、激光烧结、覆层塑料热合( 焊接)、软焊涂料剥除、连续缝焊激光成型、环氧固化自由形态加工、点焊医学应用、激光二极管泵浦应用激光照明以及表面溶解混合成型等。最可能的应用是在大尺寸制造领域，目前还没有发挥很大的作用。其中一些领域被看作是有发展潜力的领域，包括：汽车、采暖通风与空调( HVAC) 、导管制造业、大型金属结构等。光纤激光器有多种军事应用。例如用于目标捕获的激光指示器( 单脉冲能量大于l00 mJ ) 、激光测距仪(单脉冲能量大于l00 mJ，脉宽小于lOns) 以及功率大于100 kW( 目标是1 Mw) 的激光武器。得到美国国防部高级研究计划署( DARPA) 资助的美国诺斯罗普•格鲁曼( NOC) 公司以及SPI 和IPG公司利用多光束相干合束技术研究高功率光纤激光器，为机载和舰载应用开发高于l00 kW的光纤激光武器。
 
7 光纤激光器的优越性
光纤激光器成为研究热点和应用宠儿当然是由于它具有多种优越性能。
( 1 )它具有高的光束质量，可以轻易接近衍射极限，M2 常常可以接近于1。
由于光束产生限制在细小的纤芯中，事实上这意味着它非常直，并且能被聚焦成极小的点，因而在打标、切割等应用中效率极高。
( 2 )它能达到非常高的功率和功率密度。
光纤激光器的功率还在不停地被提高。前面已经指出，现在已经制造了单纤功率超过1 kW 的光纤激光器，可以期待不用太久就会出现单纤功率达到10 kW 的光纤激光器。而光纤束集成的光纤激光器现在已经有50 kW 的产品在销售， 可以预计，光输出功率再提高10 倍到500 kW 也是可能的。由于其在高功率的同时具有很好的光束质量， 所以可以获得非常高的功率密度。
( 3 )它非常高效并且容易冷却。
光纤激光器一般可将70% ～80%的进入光纤的泵浦能量转换为输出激光。这可以更好地节能， 同时这也意味着光纤激光器只有很少能量被转化为热。所以即使千瓦级的光纤激光器也只需简单可靠的风冷就足够了。同时，细长的光纤具有很高的表面积/体积比，产生的热量沿着光纤长度分布，这样散热很快，损耗小，因此带来一个额外的好处是泵浦阈值功率也相当低(如掺Yb3 + 光纤激光器的泵浦阈值功率可低至10-4W 量级) 。对于四能级系统，泵浦阈值的降低也许不太重要，而对于三能级系统，需要较高的泵浦光强度来达到阈值，如果采用体材料增益介质， 则唯有较大泵浦功率才能激射； 采用光纤结构就可利用很小的泵浦功率来获得激光输出。
( 4 )光纤激光器具有极佳的稳定性、可靠性。
通常传输光束需要借助于光纤的柔绕性质将它转移到目的地(如用于内脏系统的激光医疗) 。而激光耦合需要极为精确的调校。所以常规激光器对碰撞、震动等非常敏感， 一旦光路失准， 就会失效。而光纤激光器本身就是光纤结构， 十分便于使用。同时这种波导结构与标准通信光纤和现有的光纤器件如耦合器、偏振控制器、调制器和滤波器等完全兼容， 并且具有极小的插入损耗(可做到小于0. 01 dB ) ， 故可以制作出完全由光纤器件组成的全光纤传输系统， 不必经过光电转换可直接对光信号进行放大和处理， 利于实现超长距离超高速度的信号传输。其高度稳定性带来的好处之一就是使用寿命极长(可达十万小时以上) ， 基本上其使用寿命只受限于泵浦半导体激光器， 维护方便，甚至实际上是不需要维护的。#p#分页标题#e#
 

8 光纤激光器的发展趋势

　　类似于块状介质固体激光器， 光纤激光器的研究正朝超快、单频、超高平均和/或峰值功率、超连续等极限方向发展， 另外还需要扩展新的激光波段，拓宽激光器的可调谐范围，而光纤激光器系统则还需要继续小型化、智能化。目前尤以高功率双包层光纤激光器的研究为焦点。

　　光纤激光器的发展呈现出以下四大趋势：

　　( 1 ) 单根光纤激光的连续波输出功率从百瓦量级、千瓦量级向万瓦量级发展，在保持光束质量不变差的前提下大大提升单根光纤激光的输出功率，将是高功率光纤激光发展的主要研究内容之一。2004 年南安普顿大学报道了1. 36 kW 连续波光纤激光器， 斜率效率为83% ， 光束质量因子M2 为1. 4，并预言通过对掺杂光纤更先进的设计和采用更高功率的泵浦源， 单根光纤的输出功率有可能提高到近万瓦。
( 2 ) 从高功率连续光纤激光向高平均功率、高峰值功率的脉冲光纤激光器发展。在许多应用中，由于连续工作的光纤激光能提供的靶面功率密度较低而不能满足要求， 脉冲工作的光纤激光则能提供更高的功率密度， 从而能满足需求。双包层光纤激光器实现脉冲激光输出， 大体上有三种方式：
①调Q 光纤激光器， 一般是通过在腔内放置声光调Q 元件或熔结一段常规光纤， 利用普通光纤中的受激布里渊散射( SBS) 来实现脉冲激光输出；
②锁模光纤激光器，利用光纤中非线性偏振旋转采用环形腔结构实现脉冲锁模的光纤激光输出；
③采用基于种子激光振荡放大(MOPA ) 的脉冲光纤激光器。在此方式中，将高光束质量、小功率的激光器作为种子光源， 双包层光纤作为放大器，容易获得高平均功率、高脉冲能量的脉冲激光输出，是目前的研究热点。根据所用种子光源的不同，可实现窄线宽、皮秒和飞秒的脉冲激光的高功率放大系统，能应用于各种不同的场合。
光纤激光器的很大一部分应用可以使用超快激光，但现有的超快激光器的制造技术成本太高，系统的尺寸也过于庞大， 这些严重制约了它们的应用价值。因此发展高功率密度的超快脉冲激光器要特别注意降低它们的成本和减小尺寸。
( 3 ) 从常规的光纤激光组束技术向相干组束技术发展。将多个高功率光纤激光器的输出按常规方式组束，虽然可以提升总的输出功率，但光束质量变差，亮度提高有限。相干组束技术则由于光束间的互相耦合， 可以在保持光纤激光器光束质量的同时， 提升总功率。这将是高功率光纤激光器发展的一个很有前途的方向。
 
    ( 4 ) 光纤激光的工业应用从低功率的打标、雕刻(十瓦、百瓦级) 向更高功率的金属和陶瓷的切割、焊接等方面发展(千瓦到万瓦级) ， 在汽车工业和船舶工业中， 结构紧凑、使用方便的高功率光纤激光器具有巨大的市场潜力， 但要成功取代常规工业激光器则依赖于它能获得优良的光束质量、更低的价格以及企业良好的售后服务。

9 结论
过去10年光纤激光技术在输出功率、光束质量和亮度等方面取得了巨大进步。因为光纤激光器的高效率会进一步降低电功率需求( 有可能减小l ／2)，在工业制造方面有进一步突破，而这些新的制造技术会引发更多的目前尚未实现或等待开发的新设计和加工方法。高功率光纤激光器最终将会成为制造业的主流设备之一。