隨著單模光纖激光器的功率達(dá)到10kW、多模光纖激光器的功率達(dá)到50kW，光纖激光器的應(yīng)用正在突破工業(yè)領(lǐng)域進(jìn)入到軍事應(yīng)用中，成為戰(zhàn)場(chǎng)上部署高能激光武器的候選產(chǎn)品。 在激光技術(shù)發(fā)展的早期，獲得高功率激光輸出的最好方法是從大體積激光材料中提取能量。目前，仍然有一些應(yīng)用在采用這種方法，比如在利弗莫爾國(guó)家實(shí)驗(yàn)室的國(guó)家點(diǎn)火裝置(NIF)中，就利用了大塊玻璃放大器把脈沖放大到1.8MJ。但是對(duì)于很多工業(yè)應(yīng)用，摻鐿光纖已經(jīng)成為高功率激光介質(zhì)的理想之? ? 自從Elilas Snitzer于1963年發(fā)明第一臺(tái)光纖激光器以來，光纖激光器在功率提升方面已經(jīng)走過了很長(zhǎng)的歷程。2009年6月，IPG Photonics 公司在慕尼黑激光展上和由定向能專業(yè)協(xié)會(huì)（DEPS）主辦的固體激光器與半導(dǎo)體激光器大會(huì)上發(fā)布了輸出功率達(dá)10kW的連續(xù)波單模光纖激光器。IPG Photonics 公司工業(yè)市場(chǎng)部副總裁Bill Shiner說，IPG已經(jīng)生產(chǎn)出了輸出功率高達(dá)50kW的多模光纖激光器，而且Raytheon公司已經(jīng)測(cè)試其作為激光武器的潛在應(yīng)用。但是IPG目前的主要業(yè)務(wù)還是面向工業(yè)材料加工應(yīng)用，從切割用于太陽(yáng)能電池的硅晶圓到金屬板的機(jī)器人焊接。 為什么選擇光纖激光器？ 類似于其他二極管泵浦的激光器，光纖激光器本質(zhì)上是把低質(zhì)量的泵浦激光轉(zhuǎn)換為更高質(zhì)量的激光輸出，這些高質(zhì)量的激光輸出可應(yīng)用于醫(yī)療、材料加工以及激光武器等諸多領(lǐng)域。在實(shí)現(xiàn)高功率輸出方面，光纖激光器具有兩個(gè)重要優(yōu)勢(shì)：一是從泵浦光到高質(zhì)量輸出光的過程，具有較高的轉(zhuǎn)換效率；二是具備良好的散熱能力。 光纖激光器之所以能獲得較高的效率，主要得益于二極管泵浦、增益摻雜介質(zhì)的精心選擇以及光纖的優(yōu)化設(shè)計(jì)。高功率光纖激光器使用的光纖，包含一個(gè)摻雜增益介質(zhì)的內(nèi)層纖芯和一個(gè)限制泵浦光的外層纖芯。泵浦光可以通過光纖的端面進(jìn)入到外層纖芯，或沿著光纖的側(cè)面以與光纖軸接近平行的方向耦合進(jìn)外層纖芯（見圖1）。后一種方法稱為“側(cè)面泵浦”，但并不是說泵浦光像體激光器（bulk laser）一樣橫向進(jìn)入激光腔。一旦泵浦光被導(dǎo)入到外層纖芯后，就會(huì)沿著光纖重復(fù)通過內(nèi)層纖芯從而實(shí)現(xiàn)高效泵浦。隨后，受激輻射沿著內(nèi)層纖芯傳導(dǎo)，并不斷積累能量輸出高強(qiáng)度激光。 圖1：二極管泵浦的雙包層光纖激光器可以采用端面泵浦或側(cè)面泵浦，但是光束必須以一定的角度接近光纖的軸，使泵浦光（藍(lán)線）可以在外層纖芯中傳導(dǎo)。激光增益介質(zhì)被摻雜在內(nèi)層纖芯中（紅線）。大多數(shù)光纖激光器的摻雜物都是鐿，這是因?yàn)檫x擇鐿能獲得較小的量子損耗（泵浦光子和輸出光子的能量差），當(dāng)用975nm泵浦光產(chǎn)生1035nm輸出光時(shí)，其量子損耗值僅為6%。對(duì)比而言，用808nm泵浦的輸出為1064nm的摻釹激光器的量子損耗則高達(dá)20%。較小的量子損耗使摻鐿光纖激光器的光-光泵浦效率超過60%，此外加上泵浦二極管具有50%的電-光轉(zhuǎn)換效率，這意味著光纖激光器的總轉(zhuǎn)換效率可以達(dá)到30%。 光纖結(jié)構(gòu)具有較大的單位體積表面積，這有助于光纖激光器散熱，但是即使使用水冷，熱耗散也會(huì)限制其性能。五年前研究人員希望通過增加摻雜水平和內(nèi)層纖芯的尺寸來輸出更高的功率，但是南安普頓大學(xué)的Johan Nilsson表示，在高平均功率下，由于殘留熱量很難從光纖中帶走，“熱效應(yīng)的限制又回來了”。 單模和多模光纖激光器 IPG公司的Oleg Shkurikin在DEPS會(huì)議上說，傳統(tǒng)的光纖激光器都是直接采用二極管激光器泵浦，但是受980nm泵浦二極管亮度的限制，致使高功率摻鐿光纖激光器的輸出一直限制在千瓦級(jí)水平。摻鐿光纖放大器或摻鐿光纖激光器獲得更高功率的關(guān)鍵在于使用亮度更高的泵浦光源，比如輸出1018nm的摻鐿光纖激光器。摻鐿光纖在1018nm的吸收比975nm的吸收峰小一個(gè)量級(jí)，但是1018nm光纖激光器的亮度要高100倍。 Shkurikin說兩種方法都是可行的，但是存在一些折中。直接二極管泵浦的效率高達(dá)35%，而且體積較小，但是產(chǎn)生較高的單位長(zhǎng)度熱負(fù)載，因此具有GHz帶寬的單光纖結(jié)構(gòu)的激光器輸出功率限制在400～600W。摻鉺光纖激光器泵浦的效率只有25%～28%，而且激光器的體積增加了一倍，但是從單根光纖中輸出的總功率可以達(dá)到1～1.5kW。 將多個(gè)單模摻鐿光纖激光器模塊的輸出并束到一個(gè)纖芯為100