自從光纖激光器問(wèn)世后，高功率光纖激光器成為激光領(lǐng)域最為活躍的研究方向之一。隨著新型泵浦技術(shù)的采用和大功率半導(dǎo)體激光器制造工業(yè)的進(jìn)一步發(fā)展成熟，光纖激光器得到了飛速發(fā)展。與傳統(tǒng)的固體激光器相比，高功率光纖激光器具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、閾值低、散熱性能好、轉(zhuǎn)換效率高、光束質(zhì)量好等優(yōu)點(diǎn)。其中特種光纖技術(shù)、包層泵浦技術(shù)、光纖光柵技術(shù)、半導(dǎo)體泵浦激光器技術(shù)以及光纖激光器整機(jī)技術(shù)被認(rèn)為是光纖激光器的五大核心關(guān)鍵技術(shù)。接下來(lái)我們簡(jiǎn)單談?wù)勌胤N光纖技術(shù)方面的相關(guān)進(jìn)展。
全光纖激光器需要使用雙包層有源光纖、雙包層光敏光纖、能量傳輸光纖等多種特種光纖，隨著輸出功率的不斷提高，對(duì)特種光纖的技術(shù)要求也越來(lái)越高，因此，特種光纖的發(fā)展將在光纖激光器的發(fā)展中扮演重要的角色。以光子晶體光纖為代表的新一代特種光纖會(huì)在光纖激光器的發(fā)展中逐步得到應(yīng)用。特種光纖的發(fā)展，將使有源光纖的增益更高、承受的功率密度更大、對(duì)泵浦光的吸收更有效；將使光柵的制作更容易、光柵的穩(wěn)定性更好、使光柵在光纖激光器中的用途更廣泛；將使能量傳輸光纖能夠傳輸更高的功率，能夠?qū)⒏吖β始す鈧魉透h(yuǎn)的距離，能夠傳輸?shù)牟ㄩL(zhǎng)范圍不斷拓展；將使泵浦耦合更加容易實(shí)現(xiàn)，能承受的泵浦功率更高，損耗更小。據(jù)了解目前國(guó)內(nèi)特種光纖多數(shù)依賴(lài)進(jìn)口，從而在很大程度上制約了國(guó)內(nèi)光纖激光器產(chǎn)業(yè)的發(fā)展。
目前，國(guó)內(nèi)激光設(shè)備制造商采用的能量光纖主要依靠進(jìn)口，主要原因有四個(gè)：一是國(guó)內(nèi)的能量光纖的激光損傷閾值較低；二是光纖的光透過(guò)率較國(guó)外低；三是國(guó)內(nèi)機(jī)械加工精度不夠，不能夠滿(mǎn)足醫(yī)療激光即插即用的需求；四是光纖端面處理技術(shù)較為落后。隨著能量光電子產(chǎn)業(yè)的飛速發(fā)展和不斷壯大，該行業(yè)對(duì)能量傳輸光纖及其套件的需求會(huì)越來(lái)越大。近年來(lái)，國(guó)內(nèi)企業(yè)在特種光纖領(lǐng)域也進(jìn)行了相關(guān)嘗試，希望借此打破上游核心器件的依賴(lài)。
上光所研制出13.8W全固態(tài)光子晶體光纖
具有高損傷閾值和非線性閾值以及良好散熱能力的大模場(chǎng)光子晶體光纖(PCF)一直是國(guó)內(nèi)外研究的重點(diǎn)。上海光機(jī)所在國(guó)際上首次提出了稀土離子摻雜的軟玻璃全固態(tài)光纖概念。該方案利用低折射率的玻璃取代了空氣孔，避免了空氣孔的存在帶來(lái)的缺陷，使得全光纖激光器成為可能，同時(shí)軟玻璃的使用也顯著的提高了光纖的泵浦吸收率和非線性閾值。上海光機(jī)所利用自行制備的6wt%鐿摻雜的高質(zhì)量磷酸鹽玻璃，利用管棒法和堆積法相結(jié)合的方法，首次成功制備了纖芯直徑為17微米的單模輸出、保偏的磷酸鹽全固態(tài)光子晶體光纖，在～40cm的光纖中實(shí)現(xiàn)了13.8W的激光輸出，同時(shí)通過(guò)改變光纖對(duì)稱(chēng)性，實(shí)現(xiàn)了該種光纖的保偏性能，保偏度達(dá)80%，研究結(jié)果發(fā)表在ScientificReports[ScientificReports，5，8490，2015]。
由于石英光纖物化性能穩(wěn)定、傳輸損耗低、軟化點(diǎn)高等特點(diǎn)，目前的大模場(chǎng)光纖的研究重點(diǎn)主要集中在石英光纖。但是，石英光纖其稀土溶解度低，非線性閾值低，使得其泵浦吸收率很低，同時(shí)在高功率輸出時(shí)非線性效應(yīng)明顯，嚴(yán)重影響光纖激光器功率的進(jìn)一步輸出。目前大部分的石英PCF中的構(gòu)成光子晶體排布的低折射率棒由空氣構(gòu)成，這不但使得該種光纖制備和保存復(fù)雜，成本高，又由于空氣的導(dǎo)熱性差，使得該種光纖在高功率時(shí)產(chǎn)生模式不穩(wěn)的現(xiàn)象，影響其光束質(zhì)量的穩(wěn)定性。同時(shí)，空氣孔的存在使得其很難與包括泵浦源在內(nèi)的傳統(tǒng)的尾纖輸出的設(shè)備熔接，導(dǎo)致全光纖激光器無(wú)法實(shí)現(xiàn)。上海光機(jī)所研制的全固態(tài)光子晶體光纖提出了一種新結(jié)構(gòu)的大模場(chǎng)光纖，成功解決了多空光纖難焊接、散熱差、難實(shí)現(xiàn)全光纖激光器等缺點(diǎn)。
雖然國(guó)內(nèi)在上游光纖光纜領(lǐng)域布局較早，中國(guó)也是全球最主要的光纖光纜生產(chǎn)地，但是在激光領(lǐng)域應(yīng)用的特種光纖卻進(jìn)展較慢，遠(yuǎn)不及國(guó)外水平。對(duì)于國(guó)內(nèi)光纖激光器企業(yè)來(lái)說(shuō)，向上游延伸已經(jīng)是不可避免的現(xiàn)實(shí)，這就需要激光器件企業(yè)和上游合作更加緊密，實(shí)現(xiàn)優(yōu)勢(shì)互補(bǔ)，力爭(zhēng)突破上游核心器件的制約。
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