本文作者樓祺洪、張海波、袁志軍，中國科學院上海光學精密機械研究所，僅供交流學習之用，感謝分享！
光纖是光導纖維的簡稱，通常是一種圓柱形的光波波導。它利用全反射的原理把光波約束在纖芯，并引導光波沿著光纖軸線方向傳輸。用石英玻璃代替銅線改變了世界。
光纖作為一種傳導光波的介質，自1966年被高錕提出以來，憑借其通信容量大、抗干擾能力強、傳輸損耗低、中繼距離長、保密性能好、適應能力強、體積小、重量輕、原材料來源豐富等優點被廣泛應用。被人們稱為“光纖之父”的高錕也因此獲得了2009年的諾貝爾物理學獎。隨著光纖性能的日趨完美和實用化，光纖對電信行業的變革產生了革命性的推動，它已經基本取代銅線成了現代通信中的核心組成部分。
光纖通信系統是一種以光為信息載波、光纖為導波介質的通信系統，光纖傳輸信息時，把電信號轉變為光信號，然后在光纖內部進行傳輸。作為一項新興的通信技術，光纖通信從一開始就顯示出了無比的優越性，引起了人們的極大興趣和廣泛關注。光纖在通信中的廣泛應用也同時促進了光纖放大器和光纖激光器的飛速發展。除了通信領域，光纖系統在醫學、傳感等領域也有廣泛的應用。
光纖
光纖激光器的增益介質為有源光纖．按其結構可以分為單模光纖，雙包層光纖和光子晶體光纖三種。單模光纖單模光纖由纖芯、包層和涂覆層組成，其中纖芯材料的折射率n1，比包層材料折射率n2要高．當入射光的入射角大于臨界角時，光束在纖芯內發生全發射，因而光纖能夠將光束縛在纖芯內傳播。單模光纖的內包層對多模泵浦光不能起到約束作用，并且纖芯的數值孔徑低，因此只能采用單模泵浦光耦合進入纖芯才能獲得激光輸出。早期的光纖激光器都是采用這種單模光纖，導致耦合效率低，激光器只有毫瓦量級的輸出功率。
雙包層光纖
為了克服常規單模單包層摻鐿(Yb3+)光纖對轉化效率和輸出功率的限制，莫勒(R．Maurer)在1974年首先提出了雙包層光纖的概念。此后直到1988年斯尼澤(E．Snitzer)等人提出了包層泵浦技術，高功率摻鐿光纖激光器／放大器才得以快速發展。
雙包層光纖是一種具有特殊結構的光纖，比常規光纖增加了一個內包層，由涂覆層、內包層、外包層、摻雜纖芯所構成。包層泵浦技術以雙包層光纖為基礎，其核心在于讓多模泵浦光在內包層中傳輸，激光在纖芯中傳輸，使得泵浦轉換效率和光纖激光的輸出功率都能得到較大的提高。雙包層光纖的結構、內包層的形狀、泵浦光耦合方式等是這項技術的關鍵所在。雙包層光纖的纖j卷由摻稀土元素的二氧化硅(SiO2)構成，在光纖激光器中既是激光介質又是激光信號的傳輸通道，對應工作波長一般通過設計其數值孔徑和芯徑直徑減小其V參數，以保證輸出激光是基橫模。內包層橫向尺寸(常規纖芯直徑的數十倍)和數值孔徑比纖芯大得多，折射率比纖芯小，可限制激光完全在纖芯內傳播。這樣在纖芯和外包層之間形成了一個大截面、大數值孔徑的光波導，它可以允許大數值孔徑、大截面和多模的高功率泵浦光耦合到光纖中，并被限制在內包層以內傳輸，不擴散，有利于保持高功率密度光泵浦。外包層是由折射率比內包層小的聚合物材料構成；最外層是由有機材料構成的保護層。雙包層光纖對泵浦光的耦合面積由內包層尺寸決定，而不像傳統單模光纖僅由纖芯決定。這樣雙包層光纖構成了一種雙層的波導結構，一方面提高了人纖激光的功率耦合效率，使泵浦光在內包層內傳導時，多次穿越纖芯激發摻雜離子發射激光；另一方面輸出光束質量由纖芯性質決定，內包層的引入沒有破壞光纖激光器輸出的光束質量。
最初，雙包層光纖的內包層結構是圓柱對稱的，它的制作工藝相對簡單，也易于與泵浦激光二極管(LD)的尾纖相耦合連接，但是其完美的對稱性導致內包層中的泵浦光存在大量的螺旋光線，這些光線即使經歷足夠多次的反射也永遠不能到達纖芯區域，從而不可能被纖芯吸收，于是即使采用較長的光纖仍然會有大量的漏光存在，使得轉換效率難以提高。為此，必須破壞內包層的圓柱對稱結構。
光子晶體光纖
在普通雙包層光纖中，纖芯的幾何尺寸決定了輸出激光功率的大小．數值孔徑決定了輸出激光的光束質量。由于光纖中非線性效應、光損傷等物理機制的限制，單一增加纖芯直徑的手段，無法滿足大模場雙包層光纖在高功率輸出時單模運轉的需求。特種光纖的出現，如光子晶體光纖(PCF)，為解決這一難題提供了有效的技術途徑。
光子晶體的概念最初由雅布羅諾維奇(E．Yablonovitch)于1987年提出，即不同介電常數的介質材料在一維、二維或三維空間內組成具有光波長量級的周期性結構，在此晶體中產生允許光傳播的光子導帶和禁止光傳播的光子帶隙(PBG)。通過改變不同介質的排列方式及分布周期，可以引起光子晶體性質上的許多變化，從而實現特定的功能。PCF是二維的光子晶體，又被稱為微結構光纖或者多孔光纖。1996年，奈特(J．C．Knight)等人拉制出首根PCF，其導光機制與傳統光纖的全內反射導光類似。第一根依靠光子帶隙原理導光的PCF誕生于1998年。2005年以后，大模場PCF的設計和制備方法開始多樣化，出現了各種形狀的結構，包括泄露通道PCF、棒狀PCF、大間距PCF以及多芯PCF等。光纖的模場面積也相應不斷提高。
在外觀上，PCF與傳統的單模光纖非常相似，但在微觀上卻表現出復雜的孔陣結構。正是這些結構特點，賦予了PCF獨特的、傳統光纖無法比擬的眾多優點，如無截止單模傳輸、大模場面積、色散可調和低限制損耗等性能，可以克服傳統激光器的諸多難題。比如，PCF可以在實現大模場面積下的單模運轉，在保證光束質量的同時，顯著降低光纖中的激光功率密度、減小光纖中的非線性效應、提高光纖的損傷閾值；可實現大數值孔徑，這意味著可以實現更多的泵浦光耦合、更高功率激光的輸出。PCF的這些優點，引起了世界范圍內的一系列研究熱潮，使它成為光纖激光器中一個新的研究亮點，在高功率光纖激光器的應用中發揮著越來越重要的作用。
光纖激光器的發明
以光纖作為激光增益介質的激光器被稱為光纖激光器。與其他類型的激光器一樣，由增益介質、泵浦源和諧振腔三個部分組成。光纖激光器使用纖芯中摻雜有稀土元素的有源光纖作為增益介質。一般采用半導體激光器作為泵浦源。而諧振腔則一般利用反射鏡、光纖端面、光纖環形鏡或光纖光柵等器件構成。
根據光纖激光器的時域特性，可以分為連續光纖激光器和脈沖光纖激光器；根據諧振腔結構不同，可以分為線形腔光纖激光器、分布反饋式光纖激光器和環形腔光纖激光器；根據增益光纖和泵浦方式的不同，可以分為單包層光纖激光器(纖芯泵浦)和雙包層光纖激光器(包層泵浦)。
在1961年，斯尼澤就在摻釹(Nd)的玻璃波導中發現了激光輻射。1966年，高錕詳細研究了光纖中光衰減的主要原因，并指出了光纖在通信中實際應用所需要解決的主要技術問題。1970年，美國的康寧公司開發出衰減小于20分貝／千米的光纖，為光通信和光電子技術產業的發展奠定了基礎。這一技術突破也極大地促進了光纖激光器的發展。20世紀七八十年代，半導體激光器技術的成熟和商品化為光纖激光器的發展提供了可靠而又多樣化的泵浦源。與此同時，化學氣相沉積法的發展使得光纖的傳輸損耗不斷降低。光纖激光器也向著多樣化的方向迅速發展，光纖中摻雜多種稀土元素，如鉺(Er3+)、鐿(Yb3+)、釹(Nd3+)、釤(Sm3+)、銩(Tm3+)、鈥(Ho3+)、鐠(Pr3+)、鏑(Dy3+)、鉍(Bi3+)等。根據所摻雜的離子不同，可以實現不同波長的激光輸出。滿足不同的應用要求。
高功率光纖激光器的特點
高功率光纖激光器的優點具體表現如下。
(1)光束質量好。光纖的波導結構決定了光纖激光器易于獲得單橫模輸出，且受外界因素影響很小，能夠實現高亮度的激光輸出。
(2)高效率。光纖激光器通過選擇發射波長和摻雜稀土元素吸收特性相匹配的半導體激光器為泵浦源，可以實現很高的光一光轉化效率。對于摻鐿的高功率光纖激光器，一般選擇915納米或975納米的半導體激光器，由于Yb3+的能級結構簡單，上轉換、激發態吸收和濃度猝滅等現象較少出現，熒光壽命較長，能夠有效儲存能量以實現高功率運作。商業化光纖激光器的總體電光效率高達25％，有利于降低成本，節能環保。
(3)散熱特性好。光纖激光器是采用細長的摻雜稀土元素光纖作為激光增益介質的，其表面積和體積比非常大。約為固體塊狀激光器的1000倍，在散熱能力方面具有天然優勢。中低功率情況下無需對光纖進行特殊冷卻，高功率情況下采用水冷散熱，也可以有效避免固體激光器中常見的由于熱效應引起的光束質量下降及效率下降。
(4)結構緊湊，可靠性高。由于光纖激光器采用細小而柔軟的光纖作為激光增益介質，有利于壓縮體積、節約成本。泵浦源也是采用體積小、易于模塊化的半導體激光器，商業化產品一般可帶尾纖輸出，結合光纖布拉格光柵等光纖化的器件，只要將這些器件相互熔接即可實現全光纖化，對環境擾動免疫能力高，具有很高的穩定性，可節省維護時間和費用。
高功率光纖激光器也有難以克服的缺點：一是易受非線性效應的制約。光纖激光由于其波導的幾何結構，有效長度較長，各種非線性效應的閾值較低。一些有害的非線性效應如受激拉曼散射(SRS)、自相位調制(SPM)等會造成相位的起伏和頻譜上能量的轉移，甚至是激光系統的損傷，限制了高功率光纖激光器的發展。二是光子暗化效應。隨著泵浦作用時間的增加，光子暗化效應會導致高摻雜濃度的摻稀土元素光纖的功率轉換效率單調不可逆地下降，制約著高功率光纖激光器的長期穩定性和使用壽命，這一點在摻鐿的高功率光纖激光器中尤為明顯。
隨著高亮度光纖耦合半導體激光器和雙包層光纖技術的進步，高功率光纖激光器的輸出功率、光光轉換效率和光束質量得到了長足發展。在工業加工、定向能武器、長距離遙測、激光雷達等應用領域的巨大需求牽引下，以美國阿帕奇光電(IPG Photonics)公司、鈕芬(Nufern)公司、恩耐(Nlight)公司和德國通快集團為主的研究單位對連續波、脈沖波高功率光纖激光器進行了積極研發，推出了豐富的產品線。國內清華大學、國防科技大學、中科院上海光學精密機械研究所和中國航天科工集團第四研究院等多家單位也報道了令人振奮的成果。
光纖激光器功率提升技術
由于光纖激光中的非線性效應、熱效應以及材料損傷閾值等的限制，單路光纖激光器的輸出功率受到一定的限制，并且隨著功率的升高，光束質量逐漸下降，需要采用模式控制技術和設計特殊結構的新型光纖才能改善光束質量。道森(J．W．Dawson)等人在理論上分析了單根光纖的輸出功率極限，計算表明在寬帶光纖激光器中單根光纖可獲得最高功率為36千瓦的近衍射極限激光輸出，而對于窄線寬光纖激光器，最高功率為2千瓦。為了進一步提升光纖激光與放大器的輸出功率，通過相干合成技術將多路光纖激光進行功率合成是一種有效的方法。成為近年來國際上的研究熱點。
相干合成是通過控制各路激光束的相位、頻率、偏振具有一定的一致性，使其滿足相干條件，獲得同相鎖定輸出，其可以獲得比簡單的非相干疊加高得多的峰值強度，并且保持良好的光束質量。相干合成技術的發展歷史和激光器本身的歷史幾乎一樣長，而且涉及氣體激光器、化學激光器、半導體激光器、固體激光器等各種類型，但是由于早期各種器件的不成熟，相干合成技術取得的實驗結果沒有突破當時相應單鏈路激光的最大輸出功率，因此效果不甚明顯。從1990年代開始，光纖激光器的出現使得相干合成技術獲得了突飛猛進的發展。其原因除了光纖激光器本身獨特的優勢和百千瓦戰術使用的需求外，光纖通信商業推廣過程中配套產生的幾種器件(即光纖熔錐耦合器、多芯光纖、帶尾纖的相位調制器與聲光移頻器等)起到了至關重要的作用。光纖熔錐耦合器、多芯光纖使得基于激光能量注入耦合和倏逝波耦合的被動相位控制十分便利，帶尾纖的相位調制器與聲光移頻器使得主動相位控制能夠具備兆赫量級的控制帶寬，可以用于控制大功率條件下的相位起伏，實現鎖相輸出。研究人員提出了許多各具特色的相干合成方案。
光譜合成技術屬于一種非相干合成技術，采用一塊或多塊衍射光柵將多路子光束衍射至同一孔徑內，從而實現單一孔徑輸出，得到較好的光束質量。光纖激光器的光譜合成可以充分利用摻鐿光纖激光器較寬的增益帶寬來彌補單根光纖激光輸出功率受限的缺陷，以獲得高功率、高光束質量的激光輸出，是未來高功率光纖激光器重要的技術路徑之一。
近年來，上海光機所在高功率光纖激光以及光譜合成方面進行了大量的研究，在器件制備、關鍵技術突破和光譜合成系統等方面均取得了重要突破。在窄線寬高功率光纖放大器方面，該所于2016年采用自主研發的光纖光柵、高功率光纖合束器、包層光濾除器等核心器件，基于光纖光柵級聯濾波、線寬操控、放大級參數控制和光纖模式控制等關鍵技術，突破了德國耶拿大學研究組報道的線寬小于50吉赫激光的單模輸出功率極限．實現了功率為2.5千瓦、線寬為0.18納米(50吉赫)、中心波長為1064.1納米的近衍射極限光纖激光輸出。該激光器采用緊湊、穩定的全光纖化種子和三級放大結構，激光器具有很好的穩健性，主放采用非保偏20微米／400微米光纖。增加可用的泵浦功率，可進一步提升激光輸出功率。
在光譜合成方面，金屬膜系反射式衍射光柵損傷閾值較低，很難承受高功率激光的輻照，不易實現高功率的光譜合成。2016年8月，采用7臺窄線寬光纖激光器以及高損傷閾值偏振非相關多層電介質衍射光柵(MLDG)實現了11．27千瓦高光束質量的光譜合成，在高功率光纖激光光譜合成方面取得了很大的進展。
高功率光纖激光器的典型應用
光纖激光器因其光束質量好、電光效率高、結構緊湊、可靠性好等優點，在工業加工、醫療、遙感、安防、科研等領域有全方位的優異表現。
在工業領域，按照輸出功率可以將光纖激光器劃分為三個層次：低功率光纖激光器(<50瓦)，主要應用于微結構加工、激光打標、調阻、精密鉆孔、金屬雕刻等；中功率光纖激光器(50～500瓦)，主要應用于薄金屬板的打孔、焊接、切割和表面處理；高功率光纖激光器(>1000瓦)，主要應用于厚金屬板的切割、金屬表面涂覆、特殊板材的三維加工等。光纖的柔性特征，能夠很好地與機器手臂結合起來，滿足各種復雜工業環境的應用要求。近年來興起的3D打印技術，尤其需要這種高亮度的激光系統。
在醫療領域，最理想的激光波長是1.3微米，可用于診斷成像；1.5微米(水的吸收峰)到4微米之間則可用于外科手術。對于醫療應用，光纖激光器最大的優勢是其緊湊小巧，可彎曲的幾何結構。具有寬光譜范圍，高輸出功率的短相干波長光源是獲得高速、超高分辨率的光相干層析成像系統的關鍵。摻鉺光纖激光器和摻鐿的拉曼光纖激光器具有光學相干層析成像典型的要求：結構小巧緊湊、堅固耐用、價格合理、相對高的功率和無需光學校準仍可達到較高的分辨率。高功率的摻鉺光纖激光器和摻銩光纖激光器則非常適合于醫療手術應用。研究人員發現激光不但可以快速切除和凝結軟組織，而且在1.94微米波長內具有止血功能。而且由于光纖激光器優異的光束質量，其手術具有很高的精度。
在遙感領域，中紅外光纖激光器如摻鉺光纖激光器和摻銩光纖激光器的輸出波長位于大氣窗口，能夠低損耗地穿過大氣。尤其是摻銩光纖激光器在人眼安全波段更容易獲得高功率輸出，在功率放大方面更具有優勢。光纖激光器的另外一個優點是簡潔小巧、便攜性好，這將有助于降低航空或航天飛行載具的負荷。
在國防軍事領域，激光在雷達探測、保密通信、制導、殺傷等方面均有廣泛應用。從光纖激光器誕生起，就以其獨特的優勢成為新一代激光武器的熱門候選光源。光纖激光器的高光束質量特別適合遠距離傳輸能苗，其相對其他光源更加小巧的體積有利于發射平臺實現高機動性，提高在戰場上的適應能力和存活能力。在阿富汗戰場，斯巴特(SPATA)公司的“宙斯”激光掃雷系統就執行了掃雷任務。從2009年開始，美國海軍就多次用光纖激光系統擊毀過無人機、炮彈、小型艦艇等同標，2014年已在軍艦上列裝。2012年，德國的國防軍火商萊茵金屬(Rheinmetall)公司推出了一款輸出功率達50千瓦的雙管激光系統，在演示實驗中攔截擊毀了無人機、炮彈等目標。
激光武器
激光武器是一類正在迅速發展中的新概念武器。激光武器以光速將高能量激光發射到目標表面，通過毀傷光電偵測、導航和制導等關鍵裝置，或使目標“失明、致盲”，或燒穿毪行物殼體，將其擊落，或引爆燃料，使其空中爆炸，短時問內即可完成毀傷任務，具有能量集中、傳輸速度快、能多次重復使用、效費比高、移轉火力快、抗電磁干擾等優點。激光武器自誕生以來，其發展經歷了多次起伏，光纖激光器等固體激光器技術的成熟，為激光武器的發展注入了新動力，成為當前主要軍事強國的研究重點。目前，美國、英國、俄羅斯、德國、印度等國均啟動了激光武器的研制，并開展了相關測試，激光武器進入戰場已經指日可待。
為了應對無人機、偷襲性小艇等非對稱威脅，提高艦艇的近防能力，美國海軍于2010年正式開始研制“激光武器系統”(LaWS)，2014年9月，該系統開始在“龐塞”號兩棲船塢運輸艦上部署，并進行為期一年的作戰測試評估。LaWS系統由雷神公司牽頭研制，波音公司和洛克希德·馬丁公司也參與了部分工作。LaWS最大限度地依靠現有商用技術和元器件以求降低研發和采購成本。LaWS原型機由6臺工業用光纖激光器組成，工作中這6臺激光器發出的激光束經光束合成，可得到功率為30千瓦的激光束。激光武器系統使用成本低，根據有關部門的估算，單次照射的邊際成本僅為l美元，與每枚導彈動輒數萬或數十萬美元的價格形成鮮明對比。
2016年，美國海軍研究局啟動新型艦載高能激光武器系統研制，輸出功率可達150千瓦，是此前上艦測試的LaWS系統樣機的5倍。該項目耗時12個月，5300萬美元，分三階段研發“激光武器系統演示樣機”：第一階段主要完成初始設計，第二階段開展地面測試，第三階段將在海軍自防御測試艦上進行測試。
2014年，中國工程物理研究院聯合上海光機所等單位研發了“低空衛士”系統。在演示驗證實驗中成功擊落固定翼、多旋翼、直升機等多種小型航空器30余架次，擊落率為100％。該系統發射功率近萬瓦，低空有效護衛面積為12平方千米，能在5米內精準攔截固定翼(半徑為2千米、360度空域)等多種航空器，具有快速、準確、無附帶損傷的特點。
2015年．洛克希德·馬丁公司使用一臺30千瓦激光武器(ATHENA)摧毀了一輛一英里外的卡車。2017年3月，該公司表示其已經完成60千瓦激光武器系統研發工作，其正在將“組束”激光武器運到位于阿拉斯加的美國陸軍指揮中心。該公司的首席技術師杰克遜(K．Jackson)在一份聲明中稱：“光纖激光武器正帶來定向能系統的革命性改變，這項測試也讓我們進一步接近于研制出可用于軍用飛機、直升機、船只和卡車的輕量級固定激光武器系統。”研究證明強大的定向動能激光現在已經足夠輕、足夠小、足夠可靠，可在地面、海上和空中部署于戰術平臺上進行防御。
總結
總而言之，從整個激光技術的發展趨勢來看，光纖激光技術代表了高功率、高亮度激光的發展方向．它把波導光纖技術與半導體激光泵浦技術有機地融為一體。以光纖為載體的高功率光纖激光有望滿足未來激光先進制造和軍事國防等領域對高功率、高效率激光器的迫切需求，是一種對國民經濟和國家安全均有重要戰略意義的前沿技術。高功率光纖激光器在能源勘探、大科學裝置、空間科學、環境科學等領域也表現出了巨大的應用潛力，將會成為人類認識世界、改造世界的有力工具。
以上內容作者樓祺洪、張海波、袁志軍，中國科學院上海光學精密機械研究所，僅供交流學習之用，如有任何疑問請留言與我們聯系！
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