文/ Fraunhofer ILT

無(wú)論是醫(yī)療技術(shù)、電信領(lǐng)域還是航空航天領(lǐng)域，許多工業(yè)部門對(duì)高功率激光器的需求都在不斷增長(zhǎng)。用戶關(guān)注的是這些系統(tǒng)的成本效益和穩(wěn)定性。最近，德國(guó)弗勞恩霍夫激光技術(shù)研究所（Fraunhofer ILT）在高效且穩(wěn)定的高功率二極管激光器的研發(fā)方面，取得了重大進(jìn)展。從原理上講，ILT已經(jīng)將光纖布拉格光柵的寫入技術(shù)從光纖激光器領(lǐng)域應(yīng)用到了半導(dǎo)體激光器領(lǐng)域。Sarah Klein博士在撰寫博士論文期間開(kāi)發(fā)了這一工藝，并憑借此工藝在享有盛譽(yù)的雨果·蓋格獎(jiǎng)（Hugo Geiger Prize）評(píng)選中榮獲三等獎(jiǎng)。

圖1：用一臺(tái)超短脈沖激光器將FBG寫入纖芯直徑為 100μm的光纖中。

光纖布拉格光柵（FBG）能極大地降低光纖激光系統(tǒng)的復(fù)雜程度。如果將光學(xué)光柵直接寫入光纖中，它們就能取代外部諧振腔反射鏡。這樣一來(lái)，就無(wú)需再進(jìn)行耗時(shí)的反射鏡校準(zhǔn)工作。直接光纖集成不僅降低了系統(tǒng)的復(fù)雜程度、減少了受干擾的可能性并降低了成本，而且所發(fā)射的激光輻射的亮度也顯著提高。

光纖集成概念

2019 年，在德國(guó)聯(lián)邦教育與研究部（BMBF）資助的 EKOLAS 項(xiàng)目中，德國(guó)弗勞恩霍夫激光技術(shù)研究所（Fraunhofer ILT）參與開(kāi)發(fā)了一種工藝，用于將光纖布拉格光柵（FBG）插入光纖內(nèi)部，該項(xiàng)目中使用的是纖芯直徑 6μm的單模光纖。

在 Laserline 公司的協(xié)調(diào)下，F(xiàn)raunhofer ILT的項(xiàng)目團(tuán)隊(duì)成功地使用超短脈沖（USP）激光器將FBG寫入到了纖芯直徑為 100μm的石英光纖中：在超短激光脈沖的作用下，材料會(huì)短暫熔化，然后又迅速冷卻，并且以這種方式處理的塊狀材料的光學(xué)特性會(huì)發(fā)生變化。引入的結(jié)構(gòu)基于為此設(shè)計(jì)的疊加光波干涉圖樣。

一根直徑為 100μm的單一FBG，就足以將先前的外部諧振腔反射鏡移至光纖內(nèi)部，并在多個(gè)方面優(yōu)化多模光纖激光器。研究人員Klein還進(jìn)一步將這項(xiàng)工藝應(yīng)用到了光纖耦合的半導(dǎo)體激光器上。

相同的概念，不同的目標(biāo)

在研究工作中，Klein不僅專注于多模光纖激光器，還致力于優(yōu)化用于泵浦固態(tài)激光器的半導(dǎo)體激光器。這就改變了研究目標(biāo)。與光纖激光器不同，在這項(xiàng)應(yīng)用中，F(xiàn)BG用于改善半導(dǎo)體激光器發(fā)射的光譜特性。

為了在光泵浦過(guò)程中提高激光增益介質(zhì)的能級(jí)，需要用特定波長(zhǎng)的光來(lái)激發(fā)該增益介質(zhì)，以便增益介質(zhì)能最佳地吸收激發(fā)光的能量。

然而，半導(dǎo)體激光器發(fā)射的是寬帶輻射。因此，Klein提出了一個(gè)概念，專門用于減小半導(dǎo)體激光器發(fā)射的帶寬并穩(wěn)定波長(zhǎng)。同樣，直接寫入的FBG是這一方法的核心。它確保所使用的高功率半導(dǎo)體激光器只發(fā)射所需要的波長(zhǎng)。由于亮度的提高，輸入到固態(tài)激光器中的能量效率提高了許多倍，因此成本效益也更高。對(duì)于成本效益和能源效率日益重要的工業(yè)應(yīng)用來(lái)說(shuō)，這是一個(gè)巨大的優(yōu)勢(shì)！

復(fù)雜的集成過(guò)程

Klein在弗勞恩霍夫協(xié)會(huì)的一個(gè)內(nèi)部項(xiàng)目中繼續(xù)完善這一工藝。和在 EKOLAS 項(xiàng)目中一樣，她的目標(biāo)也是在用作半導(dǎo)體激光器波導(dǎo)的多模光纖中寫入光學(xué)光柵。她解釋說(shuō)：“通常，激光技術(shù)的重點(diǎn)在于小型化。而在我的研究工作中，情況恰恰相反。”她必須將為6μm纖芯直徑開(kāi)發(fā)的超短脈沖工藝，應(yīng)用到直徑為 100μm的光纖上。這項(xiàng)工作的困難在于細(xì)節(jié)方面：無(wú)縫且精確地對(duì)準(zhǔn)FBG段極其復(fù)雜；此外，能量管理也極具挑戰(zhàn)性。為了能夠一步到位地在大得多的多模光纖中寫入眾多光柵，理論上必須增加能量輸入。然而，這個(gè)選項(xiàng)從一開(kāi)始就被Klein排除了。

Klein通過(guò)在多個(gè)曝光過(guò)程中排列十多個(gè)尺寸僅為 6μm的FBG，成功應(yīng)對(duì)了這一挑戰(zhàn)。無(wú)縫操作非常重要。她介紹說(shuō)：“如果纖芯是有角度的幾何形狀，寫入過(guò)程會(huì)容易得多。”就所需的精度而言，將FBG寫入到最外邊緣極其復(fù)雜。然而，為了實(shí)現(xiàn)光柵的最大反射率，以生成高效的光纖激光器諧振腔結(jié)構(gòu)，這種無(wú)縫精度是必不可少的，沒(méi)有其他選擇。

在將這一概念應(yīng)用于半導(dǎo)體激光器的頻率穩(wěn)定時(shí)，她專注于設(shè)計(jì)FBG的特性，使半導(dǎo)體激光器只發(fā)射所需要的波長(zhǎng)。Klein不再追求使FBG的反射率最大化這一目標(biāo)。相反，她專門調(diào)整了FBG的特性，以優(yōu)化用于泵浦應(yīng)用的半導(dǎo)體激光器發(fā)射的光譜特性。

圖2：Sarah Klein憑借一種用于多模激光器的FBG直寫工藝，獲得雨果·蓋格獎(jiǎng)（Hugo Geiger Prize）。

榮獲雨果·蓋格獎(jiǎng)

由于創(chuàng)新的研究成果，Sarah Klein于 2025 年 2 月 19 日在享有盛譽(yù)的雨果·蓋格獎(jiǎng)（Hugo Geiger Prize）評(píng)選中榮獲三等獎(jiǎng)，該獎(jiǎng)項(xiàng)由巴伐利亞自由州和弗勞恩霍夫協(xié)會(huì)每年頒發(fā)一次，表彰在應(yīng)用科學(xué)領(lǐng)域取得杰出成就的青年研究人員。

到目前為止，對(duì)于多模激光器而言，F(xiàn)BG的光學(xué)設(shè)計(jì)及其在超短脈沖激光工藝中的直接寫入幾乎未被研究。Klein的博士論文《用于多模高功率激光二極管和光纖激光器頻率穩(wěn)定的光纖布拉格光柵》徹底改變了這一現(xiàn)狀。她說(shuō)：“我很高興能獲得這個(gè)重要獎(jiǎng)項(xiàng)！這表明我將為單模光纖激光器建立的概念應(yīng)用到其他激光束源的想法是正確的。”

基于Klein的研究，未來(lái)多模二極管激光器可以省去外部光學(xué)元件，從而降低系統(tǒng)的復(fù)雜程度、組裝工作量、故障易發(fā)性和成本。與此同時(shí)，對(duì)這些光束源進(jìn)行光譜穩(wěn)定的新可能性擴(kuò)大了它們的應(yīng)用潛力，無(wú)論是作為高效的泵浦源，還是作為通信技術(shù)、傳感器技術(shù)以及工業(yè)生產(chǎn)中直接激光材料加工的光束源。