如果說激光技術領域有一個明顯的趨勢，那就是光纖激光器的興起。在高功率切割和焊接應用方面，光纖激光器已經(jīng)從高功率 CO2 激光器和固體激光器手中搶占了大量市場份額。目前，一些主流的光纖激光器制造商正在探索許多新的應用，以滿足更多市場需求。

　　在高功率光纖激光器中，單模系統(tǒng)具有令人滿意的特性 ：它們具有高的亮度，可以聚焦至幾微米到最高的強度。它們還具有最大的焦深，這使它們最適合遠程加工。然而它們難以制造，只有市場領先的美國IPG Photonics 公司才能提供具有單模10kW 功率的系統(tǒng)。不幸的是，沒有關于其光束特性的細節(jié)，特別是可能與單模光束一起存在的任何可能的多模成分。

　　由德國政府資助、來自德國Friedrich Schiller University 和弗勞恩霍夫應用光學與精密工程研究所(Fraunhofer IOF)的科學家團隊與德國通快公司、Active Fiber Systems 公司、 業(yè) 納 公 司 和 Leibniz Institute ofPhotonic Technology 合作，分析了提升這種激光器功率的挑戰(zhàn)，然后開發(fā)了新的光纖來克服這些限制。該團隊成功地完成了一系列測試，展示了4.3kW 的單模輸出，其中光纖激光器輸出僅受到輸入泵浦功率的限制。

　　圖1：德國的一個研究團隊已經(jīng)展示了光纖激光器的4.3kW單模輸出，其輸出僅受到輸入泵浦功率的限制。

　　抑制單模光纖激光提升的效應

　　這種單模大功率光纖激光器面臨的挑戰(zhàn)是什么?這些挑戰(zhàn)主要可分為三個領域 ：a)改進泵浦，b)設計具有低光學損耗且僅在單模運行下工作的有源光纖，以及 c)正確測量所得到的輻射。在本文中，我們假設挑戰(zhàn) a)可以通過高亮度激光二極管和適當?shù)鸟詈霞夹g得以解決，因此我們將主要精力聚焦在其他兩個挑戰(zhàn)領域。

　　在用于高功率單模運行的有源光纖設計中，有兩組通用參數(shù)要優(yōu)化 ：摻雜和幾何形狀。必須確定所有參數(shù)以實現(xiàn)最小損耗、單模運行以及最后的高功率放大。完美的光纖放大器將提供超過90%的高轉換率、完美的光束質量，以及僅由可用的泵浦功率限制的輸出功率。

　　然而，將單模系統(tǒng)提升到較高功率可能導致激活纖芯內更高的功率密度，增加的熱負載以及許多非線性光學效應，例如受激拉曼散射(SRS)和受激布里淵散射(SBS)。

　　最引人注目的是摻鐿石英光纖典型的一種效應，并且在光纖激光器早期當光纖材料不像今天這樣純凈時是眾所周知的，這就是光致暗化。在該過程中，由于激光材料相互作用，在材料中形成缺陷中心或色心。這種效應是寄生的：它將泵浦光子轉換成熱，這導致較低的放大和增加的熱負荷。

　　根據(jù)激活纖芯的尺寸，可以激發(fā)和放大幾種橫模。對于纖芯和包層之間給定的折射率階躍，激活纖芯的截面越小，這些模式的數(shù)量就越小。然而，更小的直徑也意味著更高的功率密度。一些技巧包括彎曲光纖增加高階模式的損耗。

　　然而，對于較大的芯徑，以及在熱負載下，可能會出現(xiàn)其他模式。那些模式在放大期間經(jīng)受相互作用，沒有最佳傳播條件，輸出分布可能會在空間或時間上不穩(wěn)定。