几年前,当美国海军宣布,计划在Ponce号军舰上测试其30 kW激光武器系统LaWS时,《新科学家》(New Scientist)的科技新闻编辑发现该系统含有工业光纤激光器,大吃一惊。我能理解他的惊讶。因为兆瓦级的化学机载激光器是能够塞满一架波音747的庞然大物,所以他认为激光武器肯定也是个“超级巨星”。

 几十年来,五角大楼同样认为需要大型激光器来制造威力强大的武器。1961年,在美国光学公司(American Optical Company),埃利亚斯·斯尼策尔(Elias Snitzer)用一种类光纤芯包层结构制造了第一台玻璃激光器,军方的研发人员曾试图让这种激光器通过放大发射强脉冲。但在厚玻璃棒里积累了大量的热导致玻璃棒损坏。此后,美国军方转而使用流化气激光器来清除废热。从上世纪90年代中期持续到2012年的机载激光器项目,是这个技术路线的最后尝试。

光纤激光器的复兴

Snitzer在1988年重启了高功率光纤激光器的大门,当时他开发了一种新型光纤结构,可以更好地将抽运光耦合入光纤中。20世纪80年代,二极管抽运技术出现在固态激光器领域,但对于光纤激光器而言,最初的需求是将抽运光耦合到小的中央纤芯中。Snitzer在传统高折射率纤芯和低折射率包层之间增加了额外的玻璃层。

这个内部包层的折射率低于芯层,但高于外部包层。因此,芯层与内包层之间的边界限制了掺钕芯内产生的激光,而内外包层之间的边界限制了内包层中的二极管抽运光。在此基础上继续发展,光纤几何形状、掺杂和二极管组合的变化有助于提高亮度、功率和能源效率。

      上世纪90年代中期,光纤通信的蓬勃发展让大多数公司将注意力从激光器转移到光纤放大器的开发上。然而,在1990年,Valentin Gapontsev在莫斯科创立了IPG光子公司,在掺镱光纤激光器方面取得了重大进展;1995年,该公司开始研制一种单瓦单模光纤激光器;到2004年,已经可以达到1 kW的单模连续输出。大约两年前,IPG还引进了一种多模光纤激光器,这种激光器主要依赖于锥形光纤束,既可以集中抽运光,又可以组合独立的单模激光器的输出,所以该生产线的激光器功率很快达到了数千瓦。随着功率水平的提高,该公司将重点放在了可以使用多模光束的工业应用上。

      2009年单模光纤激光器的功率达到了创纪录的10 kW,这是一项令人印象深刻的工程成就,在此之前,单模光纤激光器的研究一直处于停滞状态。而近年来,单模光纤激光器的功率已扩展到15-20 kW。

高功率比工业需求更重要?

      多模光纤激光器可以达到100 kW功率连续输出的水平,因为它们的核心器件较大,所以激光需要在更大的体积中传输,从而功率密度的降低导致了非线性响应。这类激光器的主要用于工业材料加工方面,这是一个价值10亿美元的光纤激光器市场。

      但仅仅有激光器是不够的,还必须开发一种特殊的激光头用于光束传输,以促进深焊接的应用,因为这种功率强大的光束在焊接领域看起来很有吸引力。换句话说,目前的高功率光纤激光技术比大多数客户的需求提前了5到10年,但在开发出应用于这种高功率的特殊切割头之前,用户是无法使用它们的。

       4 mm-mrad的波束参数产品(BPP)是工业切割的最佳选择。(BPP为光束半径与光束发散角的乘积,低BPP通常意味着高光束质量)。多模光束对工业来说是具有成本效益的,因为在工厂生产时它们可以很好地在传输中聚焦。

      公司向原始设备制造商供应激光器,这些设备制造商将激光器加工成机床,从而能够移动光束和工件。公司通常需要3到5年的时间来围绕一种新型激光器开发新产品,并向客户交付。据透露,切割低碳钢钢板的顾客并不需要很高的激光输出功率。他们更感兴趣的是坚固可靠的系统,良好的服务和保修。

克服非线性效应

      单模光纤激光器的高光束质量吸引了从研究机构到军事领域的其他用户,他们想要更高的功率和良好的光束质量。这一需求的实现需要克服非线性效应,它随着功率密度和光在光纤中传输距离的增加而增加,这可以通过增加单模光纤中的有效模面积来实现。

      光纤中保持单模传输所需的芯径取决于芯层与包层之间的折射率差,差值越小,支持单模传输的芯层直径越大。在通信中使用的无源光纤,典型的折射率差是1%,单模芯层直径(用于1.3 µm的传输波长)大约是9 µm。

在“棒状”光子晶体光纤中,沿光纤轴的平行孔限制和引导光,为单模传输提供了更大的有效芯层区域

      光纤激光器中的非线性效应与芯层面积成正比,因此,减小芯层与包层的差值到使单模芯直径增加一倍就可以使固体光纤激光器的功率增加四倍。实际效果要复杂得多,因为降低芯层与包层折射率差需要权衡。大模面积光纤通常允许一些高阶模态的传播,但是可以设计光纤结构来衰减高阶模态,而对基本模态的影响很小。

      微结构或光子晶体光纤,其中平行孔沿光纤轴运行,可以提供更大的有效芯层区域单模传输。对于光纤激光器,这些孔是在内包层中制造的,它引导抽运光,使掺杂的芯体保持固态。这导致了“棒型”光子晶体光纤的发展,这种光子晶体光纤之所以得名,是因为它们又大又厚不可弯曲。

     2006年,来自德国弗里德里希·席勒-耶拿大学(FSU)的Jens Limpert研究组制造了85 µm掺杂固体光纤的有源芯层和200 µm微结构内包层用以收集和指导抽运光。这部分被“空气包层”包围,与大空气孔间距极小,用以限制抽运光。这种棒状光纤的模场直径为70 µm,外包层直径为1.5 mm。

      进一步的发展使微结构光纤有了新的设计,模场直径达到约130 µm。这些光纤激光器内包层中的孔间距很大——是激光波长的10到30倍。大间距减小了制造公差,但在激光器工作过程中棒状光纤必须保持非常直,以防止模场坍塌。然而,它们的最大输出受到热效应的限制,热效应会随着输出功率的增加而改变光波导,从而减小模场直径。

军事应用

     或许高功率光纤激光器最令人惊讶的成就是在军事系统中,用来防御相对较近距离的武器,如火箭、火炮、迫击炮、小艇和无人机。
      
当美国国防部(DoD)将重点转向开发电子激光器作为武器时,美国国家科学院的一个小组对光纤激光器能否达到足够高的功率和足够好的光束质量以满足军事需求表示怀疑。2009年诺斯罗普·格鲁曼公司(Northrop Grumman)和2010年德事隆公司(Textron)推出的二极管抽运平板激光器,是第一个展示了100 kW输出关键目标的固态激光器,持续时间整整5分钟。光纤激光器在工业上有了很大的发展,但是它们在单一模式下有限的输出对激光武器来说是一个严重的问题。

      开发人员设法将多根光纤激光器发出的光束组合起来,以产生高功率、高强度的光束,从而突破单模光纤激光器的限制。最简单的方法是非相干光合束,菲利普·斯伯兰格尔(Phillip Sprangle)和美国海军研究实验室(U.S. Naval Research Laboratory)的同事们通过将4个光纤激光器的光束合束到3.2公里外的目标上进行了测试。他们总共向目标发射了5 kW的激光,并得出结论,在这样的距离下,“在多公里传播范围和中等到高水平的湍流中,相干和非相干合束激光对目标的能量差别不大”。

美国海军基于光纤的激光武器系统(LaWS)于2014年在波斯湾的“庞塞号”(USS Ponce)上进行了测试

      这促使美国海军研究办公室购买了6台5.5 kW的工业光纤激光器,并将它们的光束用不同的反射镜通过单一的望远镜对准同一个目标进行非相干合束。这被称为海军LaWS的激光武器系统,安装在部署于波斯湾的美国军舰Ponce上。YouTube视频显示,激光摧毁了无人机,并引爆了漂浮在一艘小船上的炸药,不过距离并不明确。这些测试总体上是令人鼓舞的,但也表明了热晕效应、空气扰动和激光光学加热导致激光器难以实现连续功率超过100 kW并传输超过5公里的距离。军方想要更高的激光功率和更远的传输距离。

      一项长期以来被研究的备选方案是采用相干光束组合,它力图将来自不同光纤激光器或放大器的光束进行精密的相位匹配,从而使不同光束之间形成相长干涉,以产生高功率和高光强。这类似于相控阵雷达。

        然而,光波长的相位匹配要困难得多,因为光波长比无线电波的波长要小几千倍,而且必须有更高的匹配精度。但到目前为止,实验结果仍不理想,研究人员还在研究新的方法,例如将成对的偏振光束进行相干合束,创造出新光束,新光束反过来又能与其他合束光组合,产生更高的功率。

      迄今为止,制造武器级光纤激光器最成功的方法是频谱组束——本质上是密集波分复用的军用加强版。使用许多单独的单模光纤激光器产生一系列密集波长的光束,并有效地多路复用在一起,形成由光纤传输的大功率光束。洛克希德·马丁公司通过建造96个掺镱的光纤激光器,每个激光器在镱波段以不同波长发射300 W的光,证明了这种方法的可行性。在2017年CLEO会议上,洛克希德公司的报告称,频谱组束产生了30 kW的激光束,合束效率超过95%。

      激光束功率现在达到了百千瓦级。去年,洛克希德公司向位于亨茨维尔的陆军空间和导弹防御系统司令部交付了一种60 kW的合束方案,其功率转换效率为35%到40%。今年,洛克希德公司获得了美国海军的一份合同,将建造一对光谱合束光纤激光器,发射功率为60-150 kW,一种用于海上测试,另一种用于陆地测试。美国国防部导弹防御局表示,作为激光武器,光谱合束光纤激光器可以考虑在未来5到6年内增大功率达到300 kW。

阻碍单模输出的因素

      尽管在军事上达到武器级输出方面取得了成功,并成功通过双联泵传输10 kW级激光束,但衍射限制了单模光纤激光器的功率扩展,停滞在几千瓦范围内。通常的设计包括一个振荡器阶段,它为最终的放大阶段提供种子输入。随着放大器末级功率密度的增加,非线性效应开始破坏单模工作的稳定性。光束质量随着高阶横模的出现而降低,激光输出变得不稳定。

模态不稳定性:在依赖于多个参数的阈值功率以上时,不稳定性会导致良好的单模光束退化为质量较差、不稳定的多模信号。 [T. Eidam et al., Opt. Express 19, 13218 (2011)]

      耶拿席勒大学的Jens Limpert在2017年国际光纤通信会议上的一篇教程中说,这种横向模态不稳定性是由于光纤功率密度超过阈值后产生的热效应引起的。在阈值以下,激光器产生稳定的高质量单模光束。从几百瓦到一千瓦以上的功率开始都会产生退化,导致光束质量下降,因为不稳定的高阶横模出现,激光器转向多模态工作。在阈值以上时,光束中心的输出变得参差不齐。

      脉冲光纤激光器和连续光纤激光器的功率阈值取决于多种因素,包括有源光纤的结构、最后放大器阶段使用的种子功率以及系统设计的细节。横模不稳定性发生在毫秒级时间尺度上,导致基模功率从接近于零到超过90%的功率变化,其余的大部分功率转移到LP11x和LP11y模式。

      根据Limpert的说法,模间的干涉有效地在光纤中写入了折射率光栅,触发了这种不稳定性。他的团队今年发表在Optics Express的一篇论文显示,通过计算出的方法调制抽运激光器去除热光栅的干扰,可以提高功率和光束的稳定性,其功率可以达到正常阈值(开始产生模态不稳定的阈值)的两倍。作者说,这项技术应该很容易与其他光纤激光系统相结合。

脉冲光纤激光器的峰值功率

      横模不稳定性的毫秒级时间尺度太长,不会对光纤激光器中的超短脉冲产生影响。然而,光纤峰值激光功率长期以来一直受到非线性效应和光纤芯小直径自聚焦的限制。增加模面积可以获得更高的功率,但并不能消除限制。啁啾脉冲放大也可以减少非线性效应的限制,但由于用于展宽和压缩脉冲的光栅的最大尺寸,也有功率限制。根据Limpert小组的Arno Klenke及其同事们的研究,这些效应将单个光纤放大器输出器的飞秒激光峰值限制在10 GW以下。但他们分析,相干光束合束可以减少这一限制。

      一种方法是在并联光纤放大器中从单一光源分离脉冲,并通过精确匹配脉冲传播距离将它们的输出进行相干合束。在今年的Optics Letters 上,Klenke和他的同事们报道了将40ps脉冲在多核光纤中的16个平行放大核之间进行放大,然后将它们的输出进行相干合束,合束效率达到80%,从而达到70 W的平均功率。

      另一种方法是时域脉冲组合,它将通过单独通道发送的脉冲延迟,使一系列脉冲叠加在一起,从而提高峰值功率。这也需要相干光束合束,但工作方式不同。

展望

    “高功率”本质上是一个相对的术语。光纤激光器可以在一个单一频率集中产生高功率,使单位波长的功率很高,将输出激光发展为极有价值的应用,如变频、遥感和显微镜。因此,高功率光纤激光器并不局限于切割金属或打击军事目标,而是开启了广泛的可能性。

     总体而言,自1995年以来,光纤激光器的输出功率猛增了10万倍,因此不能对目前发展的变缓过多抱怨。这些进展源于控制光能的流动,并将其限制在小体积内,使光与材料的相互作用尽可能有效。在进入光纤激光器的抽运光中,一半以上的光可以在激光束中以高定向光的形式出现。这已经是令人瞩目的成就了,今后将有更多的成就发生。

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