光纤激光器综述 .pdf

摘要：光纤激光器技术是光学领域最为重要的技术

之一，作为第三代激光技术的代表，其稳定性好、效

率高、阈值低、线宽窄、可调谐、紧凑小巧和性价比

高等优点，使得它在光纤传感、光纤通信、工业加工

等领域都有着重要的应用。而掺镱双包层光纤激光器

是国际上近年来发展的一种新型固体激光器。本文就

介绍了这种高功率掺镱双包层光纤激光器，主要介绍

了高功率掺镱双包层光纤激光器的概念、发展历史及

发展现状、基本原理、优点、实现的关键技术、应用

及其广阔的前景。同时总结出了未来光纤激光器的发

展方向，并且可以预计光纤激光器最终将可能会替代

掉全球大部分高功率CO2激光器和绝大部分YAG激光

器。

关键词：光纤激光器；掺镱双包层光纤激光器；光纤融合技术；激光加工。

引言

光纤激光器是指用掺稀土元素玻璃光纤作为增益介质的激光器，虽然光纤激

光器得到了社会各方面的广泛重视，但是光纤激光器并不是新型光器件。1961

年，美国光学公司的Snitzer和Koester等在一根芯径300um的掺Nd3+玻璃波导

中进行试验观察到了激光现象，并与1963年和1964年发表了多组分玻璃光纤中的

光放大结果，提出了光纤激光器和光纤放大器的思想。1975～1985年中有关这个

领域的文章较少，不过在这期间许多发展光纤激光器的必须工艺技术已趋于成熟

[1]。上个世纪80年代后期，美国Polaroid公司提出了包层抽运技术，之后双包

层光纤激光器，特别是掺镱双包层光纤激光器发展非常迅速。1994年，PASK等首

先在掺Yb3+石英光纤中实现了包层抽运，得到了0.5W的最大激光输出。1998年，

Lucent技术公司的KOSINKI和INNISS报道了一种内包层截面形状为星形的掺Yb3+

双包层光纤激光器，得到了20W的激光输出。1999年，DOMINIC等用4个45W的半

导体激光二极管阵列组成总功率为180W的抽运源，在1120nm得到110W的激光输

出。2002年，IPG公司公布了2000W的掺Yb3+双包层光纤激光器。目前，该公司

已经推出了输出功率为17kW的掺Yb3+双包层光纤激光器，虽然因为采用的是多组

激光合束的方式，致使激光器的光束质量下降很大，但仍然在对功率要求高、光束

质量要求不是很高的场合有非常好的应用前景。但如何提高功率，同时又保证光束

质量，是当前研究要解决的难题之一。

在国内，关于掺Yb3+双包层光纤激光器的研究起步较晚。从上个世纪年80

代末，相继有一些科研单位进入光纤激光器研究领域并获得了一定的进展。2005

年，烽火通信科技股份有限公司与上海光机所合作，成功研制出输出功率高达

440W的掺镜双包层光纤激光器[2]，其功率而后被进一步提到714W。长春光机所也

开展了高功率双包层光纤激光器的研究工作，全光纤结构实现10.8w1070nm激光

输出。总体而言，由于受基础条件方面的制约，国内光纤激光器研究同国际水平还

有相当大的差距。

1.掺镱双包层光纤激光器原理

双包层光纤的结构如图1所示，由里到外分别为纤芯、内包层、外包层和保

护层。它比普通单模光纤增加了一个内包层，其横截面尺寸和数值孔径都远大于纤

芯。内包层与掺稀土离子纤芯之间构成单模光波导，将激光限制在纤芯当中；同时

它又与外包层构成了传输抽运光的多模光波导，使得抽运光在内包层中反射并多次

穿越纤芯被掺杂离子所吸收，从而将抽运光高效地转换为单模激光，极大提高了光

-光转换效率。

最初研制出的是圆形内包层双包层光纤，如图2a所示，它的优点是制造工

艺简单。但是也有严重的缺陷：圆形对称使内包层中有大量抽运光以螺旋光

的形式存在，这部分光在传输过程中不经过纤芯,因此不能被Yb3+离子吸收降低

了抽运光的利用效率。为了克服这个缺陷，国内外研究者相继提出了多种新型内包

层形状的双包层光纤，譬如偏芯型、方形、矩形、六边形、梅花形、D形等，如图

2所示。不同内包层形状的光纤具有不同的抽运激光转换效率，此外，内包层的横

截面积和数值孔径也会影响抽运激光耦合效率[3]。

掺镱光纤激光器的基本结构如图3所示,包括抽运源、耦合系统、增益介

质、谐振腔和准直系统5个部分。掺各种稀土元素的双包层光纤都可构成双包层光

纤激光器，由于掺镱的光纤激光器具有量子效率高、增益带宽大、无激发