提高脉冲光纤激光器的峰值功率极限的方法与应用

更高的功率、更短的脉冲、更强的亮度是激光器技术发展不变的追求。在脉冲激光器工业应用中，短脉冲、高峰值对材料加工效果有重要影响。光纤激光器相比固体激光器而言，在平均功率上更具优势，在峰值功率上则受到明显的限制。长期以来光纤脉冲激光器的脉宽局限在ns以上，峰值15 kW以内，以100 ns 1 mJ为标准。

如图1所示的激光脉冲序列中，峰值功率等于脉冲能量除以脉冲宽度，因此在同等能量条件下，缩短脉冲宽度可以大大增加峰值功率，同等脉宽条件下，提高峰值则可以增加脉冲能量。

目前主流工业市场上固体脉冲激光器中，纳秒级脉宽的激光器能量可达mJ级，以1 mJ能量10 ns脉宽计算，峰值功率可达100 kW。皮秒脉冲激光器能量在300 μJ左右，以10 ps计算，峰值功率可达30 MW。飞秒脉冲激光器能量以100 μJ，脉宽500 fs计算，则峰值功率达到200 MW。作为比较，常规的MOPA纳秒脉冲激光器的峰值功率在10 kW左右，远低于固体激光器的指标。

图1 脉冲宽度与峰值功率

图2给出了大模场单芯光纤的输出能力受限因素分解框图。主要的受限因素包括5项：负载能力受限、B 积分受限、提取效率受限、光束质量受限以及偏振态受限。

在图2给出的各种物理机制的解决方法分属于不同的设计层级，具体包括：基质材料、增大模场、导模结构和偏振结构属于光纤设计层级，图中以蓝色框表示；端面戴帽扩束、模式激发、模式滤波属于器件设计层级，图中以橙色框表示；泵浦方式、隔离滤波和偏振控制属于单元设计的层级，图中以绿色框表示；增大带宽、脉宽选择、重频选择和增益分配则属于系统设计层级，图中以紫色框表示。

除了上述5项之外，在连续高功率光纤激光器中需要考虑的热效应并未在此列出，因为我们追求的高峰值功率光纤放大器中，平均功率远远低于热效应能够发挥显著作用的范畴，在此不做讨论。

图2 脉冲光纤激光器峰值功率受限因素分析

负载能力受限以激光强度度量，物理机制包括体损伤和面损伤，其中面损伤可以通过端面戴帽技术予以避免，体损伤则受限于光纤基质材料特性，为极限受限因素。典型地，光强阈值约为4.75 kW/µm2，对50 µm的模场直径，对应的损伤功率阈值达到9.3 MW，已经远超过目前脉冲光纤激光器芯内峰值功率的水平，也高于自聚焦阈值功率，因此，体损伤目前还不是需要考虑的问题。

提取效率主要受限于自发辐射放大（ASE），受限于多级放大器的增益分配，级内则受限于脉冲的占空比。特别是在亚纳秒短脉冲放大条件下，ASE直接限制了脉冲能量的提升，也限制峰值功率的提升。不过ASE的限制可以通过合理设计多级放大器，优化级间增益分配和泵浦方式来抑制，另外还可以通过光谱滤波和声光滤波的方式减少传导到后级的ASE成分。合理的级间增益分配还有助于抑制脉冲增益饱和问题，获得更加好的脉冲波形。

光束质量受限以光束质量因子M2度量，为获得基模输出主要是要通过光波导导模结构设计以保证单模或者少模运转，在此基础上辅助以不同芯径光纤熔接时模式激发控制以及光纤盘绕等模式滤波手段来改善光束质量。目前能够保证高光束质量输出的常规光纤就是30/250，光子晶体等特殊光纤的纤芯可以扩大到100 µm左右。这种模场尺寸相比工业固体激光器毫米级的光斑尺寸仍然太小，后面提到的诸多非线性效应都跟B积分有关，而B积分是反比于模场面积的。

偏振态受限以偏振度度量，物理机制主要是光纤波导的偏振特性。在普通的双包层光纤中，线偏振光会发生退偏，且退偏度对弯曲和环境参数敏感，难以保持稳定的偏振态输出。同样条件下，偏振光一般比非偏振光的峰值功率阈值低一半，因为非偏振光可以分解为两个正交的非偏振光分量。

在脉冲光纤激光器中，影响峰值功率重要的因素是B积分，也就是光纤中的非线性相位偏移量，B积分的定义如下：

可见，B积分正比于功率随光纤长度的积分，同时与模场直径和激光波长成反比。

光纤中的三阶非线性效应可以分为两大类：一类是光强诱导的折射率调制效应，包括自相位调制（SPM）、交叉相位调制（Cross-Phase Modulation:XPM）、调制不稳定性（Modulation Instability: MI）、四波混频（Four-Wave Mixing:FWM）以及自聚焦（Self-Focusing: SF）等；另一类是非弹性光散射效应，涉及光子与基质材料晶格振动之间的能量交换，包括受激布里渊散射（SBS）和受激拉曼散射（SRS）。这其中，高的限制取决于自聚焦阈值，对光纤材料而言，这个值大概在4 MW的水平。

在自聚焦阈值之下，受激拉曼散射是重要的限制，因为拉曼光相比基频光的光谱频移量高达60 nm，拉曼成分过高会严重影响隔离器磁光晶体的作用，也会给镜头带来很大的色差。图3给出了光纤内峰值功率超过自聚焦阈值时产生的自聚焦成丝的演化过程。

图3 功率为2倍自聚焦阈值功率（8 MW）下，在（图a）80 µm和（图b）200 µm芯径光纤中LP₀₂ 模式的光强分布