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更高的功率、更短的脈沖、更強的亮度是激光器技術發(fā)展不變的追求。在脈沖激光器工業(yè)應用中，短脈沖、高峰值對材料加工效果有重要影響。光纖激光器相比固體激光器而言，在平均功率上更具優(yōu)勢，在峰值功率上則受到明顯的限制。長期以來光纖脈沖激光器的脈寬局限在ns以上，峰值15 kW以內(nèi)，以100 ns 1 mJ為標準。
1 提高脈沖峰值功率的方法
如圖1所示的激光脈沖序列中，峰值功率等于脈沖能量除以脈沖寬度，因此在同等能量條件下，縮短脈沖寬度可以大大增加峰值功率，同等脈寬條件下，提高峰值則可以增加脈沖能量。
目前主流工業(yè)市場上固體脈沖激光器中，納秒級脈寬的激光器能量可達mJ級，以1 mJ能量10 ns脈寬計算，峰值功率可達100 kW。皮秒脈沖激光器能量在300 μJ左右，以10 ps計算，峰值功率可達30 MW。飛秒脈沖激光器能量以100 μJ，脈寬500 fs計算，則峰值功率達到200 MW。作為比較，常規(guī)的MOPA納秒脈沖激光器的峰值功率在10 kW左右，遠低于固體激光器的指標。
如圖1所示的激光脈沖序列中，峰值功率等于脈沖能量除以脈沖寬度，因此在同等能量條件下，縮短脈沖寬度可以大大增加峰值功率，同等脈寬條件下，提高峰值則可以增加脈沖能量。
目前主流工業(yè)市場上固體脈沖激光器中，納秒級脈寬的激光器能量可達mJ級，以1 mJ能量10 ns脈寬計算，峰值功率可達100 kW。皮秒脈沖激光器能量在300 μJ左右，以10 ps計算，峰值功率可達30 MW。飛秒脈沖激光器能量以100 μJ，脈寬500 fs計算，則峰值功率達到200 MW。作為比較，常規(guī)的MOPA納秒脈沖激光器的峰值功率在10 kW左右，遠低于固體激光器的指標。
圖1 脈沖寬度與峰值功率
2 提高光纖脈沖峰值功率的受限因素
圖2給出了大模場單芯光纖的輸出能力受限因素分解框圖。主要的受限因素包括5項：負載能力受限、B 積分受限、提取效率受限、光束質量受限以及偏振態(tài)受限。
在圖2給出的各種物理機制的解決方法分屬于不同的設計層級，具體包括：基質材料、增大模場、導模結構和偏振結構屬于光纖設計層級，圖中以藍色框表示；端面戴帽擴束、模式激發(fā)、模式濾波屬于器件設計層級，圖中以橙色框表示；泵浦方式、隔離濾波和偏振控制屬于單元設計的層級，圖中以綠色框表示；增大帶寬、脈寬選擇、重頻選擇和增益分配則屬于系統(tǒng)設計層級，圖中以紫色框表示。
除了上述5項之外，在連續(xù)高功率光纖激光器中需要考慮的熱效應并未在此列出，因為我們追求的高峰值功率光纖放大器中，平均功率遠遠低于熱效應能夠發(fā)揮顯著作用的范疇，在此不做討論。
圖2 脈沖光纖激光器峰值功率受限因素分析
負載能力受限以激光強度度量，物理機制包括體損傷和面損傷，其中面損傷可以通過端面戴帽技術予以避免，體損傷則受限于光纖基質材料特性，為極限受限因素。典型地，光強閾值約為4.75 kW/µm2，對50 µm的模場直徑，對應的損傷功率閾值達到9.3 MW，已經(jīng)遠超過目前脈沖光纖激光器芯內(nèi)峰值功率的水平，也高于自聚焦閾值功率，因此，體損傷目前還不是需要考慮的問題。
提取效率主要受限于自發(fā)輻射放大（ASE），受限于多級放大器的增益分配，級內(nèi)則受限于脈沖的占空比。特別是在亞納秒短脈沖放大條件下，ASE直接限制了脈沖能量的提升，也限制峰值功率的提升。不過ASE的限制可以通過合理設計多級放大器，優(yōu)化級間增益分配和泵浦方式來抑制，另外還可以通過光譜濾波和聲光濾波的方式減少傳導到后級的ASE成分。合理的級間增益分配還有助于抑制脈沖增益飽和問題，獲得更加好的脈沖波形。
光束質量受限以光束質量因子M2度量，為獲得基模輸出主要是要通過光波導導模結構設計以保證單?；蛘呱倌＿\轉，在此基礎上輔助以不同芯徑光纖熔接時模式激發(fā)控制以及光纖盤繞等模式濾波手段來改善光束質量。目前能夠保證高光束質量輸出的常規(guī)光纖就是30/250，光子晶體等特殊光纖的纖芯可以擴大到100 µm左右。這種模場尺寸相比工業(yè)固體激光器毫米級的光斑尺寸仍然太小，后面提到的諸多非線性效應都跟B積分有關，而B積分是反比于模場面積的。
偏振態(tài)受限以偏振度度量，物理機制主要是光纖波導的偏振特性。在普通的雙包層光纖中，線偏振光會發(fā)生退偏，且退偏度對彎曲和環(huán)境參數(shù)敏感，難以保持穩(wěn)定的偏振態(tài)輸出。同樣條件下，偏振光一般比非偏振光的峰值功率閾值低一半，因為非偏振光可以分解為兩個正交的非偏振光分量。
在脈沖光纖激光器中，影響峰值功率重要的因素是B積分，也就是光纖中的非線性相位偏移量，B積分的定義如下：
可見，B積分正比于功率隨光纖長度的積分，同時與模場直徑和激光波長成反比。
光纖中的三階非線性效應可以分為兩大類：一類是光強誘導的折射率調制效應，包括自相位調制（SPM）、交叉相位調制（Cross-Phase Modulation:XPM）、調制不穩(wěn)定性（Modulation Instability: MI）、四波混頻（Four-Wave Mixing:FWM）以及自聚焦（Self-Focusing: SF）等；另一類是非彈性光散射效應，涉及光子與基質材料晶格振動之間的能量交換，包括受激布里淵散射（SBS）和受激拉曼散射（SRS）。這其中，高的限制取決于自聚焦閾值，對光纖材料而言，這個值大概在4 MW的水平。
在自聚焦閾值之下，受激拉曼散射是重要的限制，因為拉曼光相比基頻光的光譜頻移量高達60 nm，拉曼成分過高會嚴重影響隔離器磁光晶體的作用，也會給鏡頭帶來很大的色差。圖3給出了光纖內(nèi)峰值功率超過自聚焦閾值時產(chǎn)生的自聚焦成絲的演化過程。
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模式的光強分布
3 提高光纖脈沖激光峰值功率的應用
在深刻理解脈沖光纖激光器峰值功率提升受限物理限制的前提下，通過綜合優(yōu)化光纖選型、放大器設計和關鍵器件定制，光至科技推出了全系列GT高峰值功率脈沖MOPA激光器產(chǎn)品，實現(xiàn)了從200 ps到50 ns的短脈沖高峰值放大，從20 W到200 W平均功率全覆蓋，峰值功率包括GT30、GT60、GT100、GT150等多個規(guī)格。
光至針對陽極鋁打黑推出的20W GMX，脈寬低至500 ps，峰值約40 kW，同等打黑效果下效率能較普通MOPA 20W提升1~3倍，性價比高。效果示意圖可見圖4和圖5。
圖4 200 ps，速度從1000 mm/s增加至10000 mm/s效果
圖5 不同脈寬下黑度值與雕刻速度的關系
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