更高的功(gong)(gong)率、更短的脈(mo)(mo)沖(chong)、更強的亮度是激(ji)(ji)光(guang)器(qi)技術發展不變的追(zhui)求。在(zai)(zai)(zai)脈(mo)(mo)沖(chong)激(ji)(ji)光(guang)器(qi)工(gong)業應(ying)用中(zhong)，短脈(mo)(mo)沖(chong)、高峰(feng)值(zhi)對材(cai)料加工(gong)效果有(you)重要影響。光(guang)纖(xian)(xian)激(ji)(ji)光(guang)器(qi)相比固(gu)體激(ji)(ji)光(guang)器(qi)而(er)言(yan)，在(zai)(zai)(zai)平均功(gong)(gong)率上(shang)(shang)更具優勢，在(zai)(zai)(zai)峰(feng)值(zhi)功(gong)(gong)率上(shang)(shang)則受(shou)到明顯(xian)的限制。長(chang)期(qi)以來光(guang)纖(xian)(xian)脈(mo)(mo)沖(chong)激(ji)(ji)光(guang)器(qi)的脈(mo)(mo)寬局限在(zai)(zai)(zai)ns以上(shang)(shang)，峰(feng)值(zhi)15 kW以內，以100 ns 1 mJ為標準。
1 提高脈(mo)沖峰值功率的方(fang)法
如圖1所示的激光脈(mo)沖序列中，峰(feng)(feng)值(zhi)(zhi)功率等于(yu)脈(mo)沖能量(liang)除以脈(mo)沖寬(kuan)度，因(yin)此在同(tong)(tong)等能量(liang)條件下(xia)(xia)，縮(suo)短脈(mo)沖寬(kuan)度可(ke)以大大增加(jia)峰(feng)(feng)值(zhi)(zhi)功率，同(tong)(tong)等脈(mo)寬(kuan)條件下(xia)(xia)，提高(gao)峰(feng)(feng)值(zhi)(zhi)則可(ke)以增加(jia)脈(mo)沖能量(liang)。
目前(qian)主(zhu)流(liu)工業市(shi)場上固(gu)體(ti)脈沖(chong)激(ji)(ji)光(guang)器中(zhong)，納(na)秒(miao)級脈寬(kuan)的激(ji)(ji)光(guang)器能(neng)(neng)量(liang)(liang)(liang)可達(da)(da)(da)(da)mJ級，以1 mJ能(neng)(neng)量(liang)(liang)(liang)10 ns脈寬(kuan)計(ji)算(suan)，峰(feng)(feng)值(zhi)功(gong)率(lv)可達(da)(da)(da)(da)100 kW。皮(pi)秒(miao)脈沖(chong)激(ji)(ji)光(guang)器能(neng)(neng)量(liang)(liang)(liang)在300 μJ左(zuo)右，以10 ps計(ji)算(suan)，峰(feng)(feng)值(zhi)功(gong)率(lv)可達(da)(da)(da)(da)30 MW。飛秒(miao)脈沖(chong)激(ji)(ji)光(guang)器能(neng)(neng)量(liang)(liang)(liang)以100 μJ，脈寬(kuan)500 fs計(ji)算(suan)，則峰(feng)(feng)值(zhi)功(gong)率(lv)達(da)(da)(da)(da)到(dao)200 MW。作(zuo)為比較，常規的MOPA納(na)秒(miao)脈沖(chong)激(ji)(ji)光(guang)器的峰(feng)(feng)值(zhi)功(gong)率(lv)在10 kW左(zuo)右，遠(yuan)低于固(gu)體(ti)激(ji)(ji)光(guang)器的指標。
如圖1所示的激(ji)光脈沖(chong)(chong)序列中，峰(feng)值(zhi)功(gong)率(lv)等于脈沖(chong)(chong)能量(liang)除以(yi)(yi)脈沖(chong)(chong)寬度，因此在同(tong)等能量(liang)條件(jian)(jian)下，縮短脈沖(chong)(chong)寬度可(ke)以(yi)(yi)大(da)大(da)增加(jia)峰(feng)值(zhi)功(gong)率(lv)，同(tong)等脈寬條件(jian)(jian)下，提高峰(feng)值(zhi)則可(ke)以(yi)(yi)增加(jia)脈沖(chong)(chong)能量(liang)。
目前主流工業市場上(shang)固體脈(mo)沖(chong)激(ji)(ji)光(guang)(guang)(guang)器(qi)(qi)中，納秒級(ji)脈(mo)寬(kuan)的激(ji)(ji)光(guang)(guang)(guang)器(qi)(qi)能量可達(da)(da)mJ級(ji)，以1 mJ能量10 ns脈(mo)寬(kuan)計算，峰值功(gong)(gong)率(lv)(lv)可達(da)(da)100 kW。皮秒脈(mo)沖(chong)激(ji)(ji)光(guang)(guang)(guang)器(qi)(qi)能量在300 μJ左(zuo)右(you)，以10 ps計算，峰值功(gong)(gong)率(lv)(lv)可達(da)(da)30 MW。飛秒脈(mo)沖(chong)激(ji)(ji)光(guang)(guang)(guang)器(qi)(qi)能量以100 μJ，脈(mo)寬(kuan)500 fs計算，則(ze)峰值功(gong)(gong)率(lv)(lv)達(da)(da)到200 MW。作為(wei)比較，常規的MOPA納秒脈(mo)沖(chong)激(ji)(ji)光(guang)(guang)(guang)器(qi)(qi)的峰值功(gong)(gong)率(lv)(lv)在10 kW左(zuo)右(you)，遠(yuan)低(di)于固體激(ji)(ji)光(guang)(guang)(guang)器(qi)(qi)的指標。
圖(tu)1 脈沖寬(kuan)度與(yu)峰值功率
2 提高光纖脈沖峰值(zhi)功率的受限因素
圖2給(gei)出(chu)了(le)大(da)模場單芯光纖(xian)的輸出(chu)能(neng)力受(shou)限因素分解框圖。主要的受(shou)限因素包括5項：負載(zai)能(neng)力受(shou)限、B 積分受(shou)限、提取效率受(shou)限、光束質量受(shou)限以及偏振態受(shou)限。
在圖2給(gei)出(chu)的(de)各種物理機制的(de)解決方法分(fen)屬于(yu)不同的(de)設計(ji)層(ceng)級，具體包括：基質(zhi)材料(liao)、增(zeng)大模(mo)場、導模(mo)結構(gou)和(he)偏(pian)振結構(gou)屬于(yu)光纖設計(ji)層(ceng)級，圖中以(yi)藍色(se)框表示；端面戴帽擴束、模(mo)式激發(fa)、模(mo)式濾(lv)波屬于(yu)器件(jian)設計(ji)層(ceng)級，圖中以(yi)橙色(se)框表示；泵浦方式、隔離濾(lv)波和(he)偏(pian)振控制屬于(yu)單元設計(ji)的(de)層(ceng)級，圖中以(yi)綠色(se)框表示；增(zeng)大帶寬、脈(mo)寬選擇、重頻選擇和(he)增(zeng)益分(fen)配則屬于(yu)系(xi)統(tong)設計(ji)層(ceng)級，圖中以(yi)紫色(se)框表示。
除了(le)上述5項(xiang)之(zhi)外，在(zai)(zai)連續高(gao)(gao)功率光(guang)(guang)纖激光(guang)(guang)器中需要(yao)考慮的熱(re)(re)效(xiao)應(ying)(ying)并未在(zai)(zai)此列出，因為我們追求的高(gao)(gao)峰(feng)值功率光(guang)(guang)纖放(fang)大器中，平均功率遠遠低(di)于熱(re)(re)效(xiao)應(ying)(ying)能夠發(fa)揮顯著作用(yong)的范(fan)疇，在(zai)(zai)此不做討論。
圖(tu)2 脈沖光纖激光器峰值功率受限因素分析(xi)
負(fu)載能力受(shou)限(xian)以激光強度(du)度(du)量，物理機制(zhi)包括體損傷(shang)和面損傷(shang)，其中面損傷(shang)可(ke)以通過端面戴帽技(ji)術予以避免，體損傷(shang)則受(shou)限(xian)于光纖(xian)基質材(cai)料特性，為極限(xian)受(shou)限(xian)因素(su)。典型地，光強閾值(zhi)(zhi)約為4.75 kW/µm2，對(dui)50 µm的(de)模場直徑，對(dui)應的(de)損傷(shang)功(gong)率(lv)閾值(zhi)(zhi)達(da)到(dao)9.3 MW，已(yi)經遠超過目前(qian)脈(mo)沖光纖(xian)激光器芯內峰(feng)值(zhi)(zhi)功(gong)率(lv)的(de)水(shui)平，也高于自聚焦閾值(zhi)(zhi)功(gong)率(lv)，因此，體損傷(shang)目前(qian)還不是需要(yao)考慮(lv)的(de)問題。
提(ti)(ti)取效率主要受限(xian)(xian)(xian)于自發輻射放大（ASE），受限(xian)(xian)(xian)于多級(ji)(ji)放大器的(de)(de)增(zeng)(zeng)益(yi)分(fen)(fen)配(pei)，級(ji)(ji)內(nei)則受限(xian)(xian)(xian)于脈(mo)(mo)沖的(de)(de)占空比(bi)。特別是在亞納秒(miao)短脈(mo)(mo)沖放大條件下(xia)，ASE直接限(xian)(xian)(xian)制(zhi)了脈(mo)(mo)沖能(neng)量的(de)(de)提(ti)(ti)升，也限(xian)(xian)(xian)制(zhi)峰值功(gong)率的(de)(de)提(ti)(ti)升。不過(guo)(guo)ASE的(de)(de)限(xian)(xian)(xian)制(zhi)可以(yi)通(tong)過(guo)(guo)合理(li)設計多級(ji)(ji)放大器，優化級(ji)(ji)間(jian)增(zeng)(zeng)益(yi)分(fen)(fen)配(pei)和(he)泵浦(pu)方(fang)(fang)式(shi)來抑制(zhi)，另外還可以(yi)通(tong)過(guo)(guo)光譜濾波和(he)聲光濾波的(de)(de)方(fang)(fang)式(shi)減少傳導到后級(ji)(ji)的(de)(de)ASE成分(fen)(fen)。合理(li)的(de)(de)級(ji)(ji)間(jian)增(zeng)(zeng)益(yi)分(fen)(fen)配(pei)還有助(zhu)于抑制(zhi)脈(mo)(mo)沖增(zeng)(zeng)益(yi)飽(bao)和(he)問題，獲得更加(jia)好的(de)(de)脈(mo)(mo)沖波形。
光(guang)(guang)(guang)(guang)束(shu)(shu)(shu)質量(liang)受限(xian)以光(guang)(guang)(guang)(guang)束(shu)(shu)(shu)質量(liang)因子M2度量(liang)，為獲得(de)基模(mo)(mo)輸出主要是要通過光(guang)(guang)(guang)(guang)波導導模(mo)(mo)結(jie)構設計(ji)以保(bao)(bao)證單模(mo)(mo)或(huo)者(zhe)少模(mo)(mo)運轉，在此基礎(chu)上輔助以不(bu)同芯(xin)徑光(guang)(guang)(guang)(guang)纖熔(rong)接時模(mo)(mo)式(shi)激(ji)發控制以及光(guang)(guang)(guang)(guang)纖盤繞等(deng)模(mo)(mo)式(shi)濾波手段(duan)來改善光(guang)(guang)(guang)(guang)束(shu)(shu)(shu)質量(liang)。目前(qian)能夠(gou)保(bao)(bao)證高光(guang)(guang)(guang)(guang)束(shu)(shu)(shu)質量(liang)輸出的常(chang)規(gui)光(guang)(guang)(guang)(guang)纖就是30/250，光(guang)(guang)(guang)(guang)子晶體等(deng)特殊光(guang)(guang)(guang)(guang)纖的纖芯(xin)可以擴(kuo)大到100 µm左右。這(zhe)種模(mo)(mo)場尺(chi)寸相比工業固(gu)體激(ji)光(guang)(guang)(guang)(guang)器毫米級(ji)的光(guang)(guang)(guang)(guang)斑(ban)尺(chi)寸仍然太小，后面(mian)(mian)提到的諸多非線(xian)性效應都(dou)跟(gen)B積分(fen)有關，而(er)B積分(fen)是反比于模(mo)(mo)場面(mian)(mian)積的。
偏(pian)振(zhen)(zhen)態(tai)受限以(yi)(yi)偏(pian)振(zhen)(zhen)度(du)度(du)量(liang)(liang)，物理(li)機制主要是光纖(xian)波導(dao)的偏(pian)振(zhen)(zhen)特性。在普(pu)通的雙包層光纖(xian)中，線偏(pian)振(zhen)(zhen)光會發生退偏(pian)，且退偏(pian)度(du)對彎曲和環境參數(shu)敏感，難以(yi)(yi)保(bao)持穩定的偏(pian)振(zhen)(zhen)態(tai)輸出。同樣條件下，偏(pian)振(zhen)(zhen)光一(yi)般比(bi)非(fei)偏(pian)振(zhen)(zhen)光的峰值功率閾值低一(yi)半(ban)，因為非(fei)偏(pian)振(zhen)(zhen)光可以(yi)(yi)分解為兩(liang)個正交的非(fei)偏(pian)振(zhen)(zhen)光分量(liang)(liang)。
在脈沖光纖激光器(qi)中，影響峰值功率重要的(de)因素是B積分，也就是光纖中的(de)非線性相位偏移量，B積分的(de)定(ding)義如下：
可(ke)見，B積(ji)分正比(bi)于功率隨光(guang)(guang)纖長度的(de)積(ji)分，同(tong)時(shi)與模(mo)場直徑和激光(guang)(guang)波長成(cheng)反比(bi)。
光(guang)(guang)纖中(zhong)的(de)三階非線(xian)性效(xiao)(xiao)(xiao)應(ying)可以(yi)分為兩大類：一類是光(guang)(guang)強誘導(dao)的(de)折射(she)率調制(zhi)效(xiao)(xiao)(xiao)應(ying)，包括自(zi)相位(wei)調制(zhi)（SPM）、交叉(cha)相位(wei)調制(zhi)（Cross-Phase Modulation:XPM）、調制(zhi)不穩定性（Modulation Instability: MI）、四波混頻（Four-Wave Mixing:FWM）以(yi)及自(zi)聚(ju)焦（Self-Focusing: SF）等；另(ling)一類是非彈性光(guang)(guang)散(san)射(she)效(xiao)(xiao)(xiao)應(ying)，涉及光(guang)(guang)子與基質材(cai)料晶格振動之(zhi)間的(de)能(neng)量交換，包括受激(ji)布里淵(yuan)散(san)射(she)（SBS）和受激(ji)拉曼散(san)射(she)（SRS）。這其中(zhong)，高的(de)限制(zhi)取決于自(zi)聚(ju)焦閾值(zhi)，對光(guang)(guang)纖材(cai)料而言(yan)，這個值(zhi)大概在4 MW的(de)水平。
在自聚焦閾值之下，受激拉(la)曼散射是(shi)重(zhong)要的限制(zhi)，因為拉(la)曼光(guang)相比基頻(pin)光(guang)的光(guang)譜頻(pin)移(yi)量高達60 nm，拉(la)曼成(cheng)分過(guo)高會嚴重(zhong)影響隔離器磁(ci)光(guang)晶體的作(zuo)用(yong)，也會給鏡頭帶(dai)來(lai)很(hen)大(da)的色差(cha)。圖3給出(chu)了(le)光(guang)纖內(nei)峰值功率超過(guo)自聚焦閾值時(shi)產生的自聚焦成(cheng)絲的演化(hua)過(guo)程。
圖3 功率為2倍自聚焦閾值功率（8 MW）下，在（圖a）80 µm和（圖b）200 µm芯徑光纖中LP02 模(mo)式的光強分布
3 提高光(guang)纖脈(mo)沖激(ji)光(guang)峰值功率(lv)的應用
在深刻理解(jie)脈(mo)沖(chong)(chong)光(guang)纖激(ji)光(guang)器峰(feng)值(zhi)功(gong)(gong)率(lv)提(ti)升受限(xian)物(wu)理限(xian)制的(de)前提(ti)下(xia)，通過綜合(he)優化光(guang)纖選型、放大(da)器設計和關(guan)鍵器件定(ding)制，光(guang)至科技推出了全系列(lie)GT高(gao)(gao)峰(feng)值(zhi)功(gong)(gong)率(lv)脈(mo)沖(chong)(chong)MOPA激(ji)光(guang)器產品，實(shi)現了從200 ps到(dao)50 ns的(de)短(duan)脈(mo)沖(chong)(chong)高(gao)(gao)峰(feng)值(zhi)放大(da)，從20 W到(dao)200 W平均功(gong)(gong)率(lv)全覆蓋(gai)，峰(feng)值(zhi)功(gong)(gong)率(lv)包(bao)括(kuo)GT30、GT60、GT100、GT150等多個規格。
光至針對陽極鋁打(da)黑(hei)推(tui)出的(de)20W GMX，脈(mo)寬低至500 ps，峰值約40 kW，同等打(da)黑(hei)效果(guo)下效率(lv)能較普通(tong)MOPA 20W提升1~3倍，性價比高。效果(guo)示意圖(tu)可見圖(tu)4和圖(tu)5。
圖(tu)4 200 ps，速(su)度(du)從(cong)1000 mm/s增(zeng)加至10000 mm/s效果
圖5 不同脈寬下黑度值與雕刻(ke)速度的關系
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