文/ Fraunhofer ILT

无论是医疗技术、电信领域还是航空航天领域，许多工业部门对高功率激光器的需求都在不断增长。用户关注的是这些系统的成本效益和稳定性。最近，德国弗劳恩霍夫激光技术研究所（Fraunhofer ILT）在高效且稳定的高功率二极管激光器的研发方面，取得了重大进展。从原理上讲，ILT已经将光纤布拉格光栅的写入技术从光纤激光器领域应用到了半导体激光器领域。Sarah Klein博士在撰写博士论文期间开发了这一工艺，并凭借此工艺在享有盛誉的雨果·盖格奖（Hugo Geiger Prize）评选中荣获三等奖。

图1：用一台超短脉冲激光器将FBG写入纤芯直径为 100μm的光纤中。

光纤布拉格光栅（FBG）能极大地降低光纤激光系统的复杂程度。如果将光学光栅直接写入光纤中，它们就能取代外部谐振腔反射镜。这样一来，就无需再进行耗时的反射镜校准工作。直接光纤集成不仅降低了系统的复杂程度、减少了受干扰的可能性并降低了成本，而且所发射的激光辐射的亮度也显著提高。

光纤集成概念

2019 年，在德国联邦教育与研究部（BMBF）资助的 EKOLAS 项目中，德国弗劳恩霍夫激光技术研究所（Fraunhofer ILT）参与开发了一种工艺，用于将光纤布拉格光栅（FBG）插入光纤内部，该项目中使用的是纤芯直径 6μm的单模光纤。

在 Laserline 公司的协调下，Fraunhofer ILT的项目团队成功地使用超短脉冲（USP）激光器将FBG写入到了纤芯直径为 100μm的石英光纤中：在超短激光脉冲的作用下，材料会短暂熔化，然后又迅速冷却，并且以这种方式处理的块状材料的光学特性会发生变化。引入的结构基于为此设计的叠加光波干涉图样。

一根直径为 100μm的单一FBG，就足以将先前的外部谐振腔反射镜移至光纤内部，并在多个方面优化多模光纤激光器。研究人员Klein还进一步将这项工艺应用到了光纤耦合的半导体激光器上。

相同的概念，不同的目标

在研究工作中，Klein不仅专注于多模光纤激光器，还致力于优化用于泵浦固态激光器的半导体激光器。这就改变了研究目标。与光纤激光器不同，在这项应用中，FBG用于改善半导体激光器发射的光谱特性。

为了在光泵浦过程中提高激光增益介质的能级，需要用特定波长的光来激发该增益介质，以便增益介质能最佳地吸收激发光的能量。

然而，半导体激光器发射的是宽带辐射。因此，Klein提出了一个概念，专门用于减小半导体激光器发射的带宽并稳定波长。同样，直接写入的FBG是这一方法的核心。它确保所使用的高功率半导体激光器只发射所需要的波长。由于亮度的提高，输入到固态激光器中的能量效率提高了许多倍，因此成本效益也更高。对于成本效益和能源效率日益重要的工业应用来说，这是一个巨大的优势！

复杂的集成过程

Klein在弗劳恩霍夫协会的一个内部项目中继续完善这一工艺。和在 EKOLAS 项目中一样，她的目标也是在用作半导体激光器波导的多模光纤中写入光学光栅。她解释说：“通常，激光技术的重点在于小型化。而在我的研究工作中，情况恰恰相反。”她必须将为6μm纤芯直径开发的超短脉冲工艺，应用到直径为 100μm的光纤上。这项工作的困难在于细节方面：无缝且精确地对准FBG段极其复杂；此外，能量管理也极具挑战性。为了能够一步到位地在大得多的多模光纤中写入众多光栅，理论上必须增加能量输入。然而，这个选项从一开始就被Klein排除了。

Klein通过在多个曝光过程中排列十多个尺寸仅为 6μm的FBG，成功应对了这一挑战。无缝操作非常重要。她介绍说：“如果纤芯是有角度的几何形状，写入过程会容易得多。”就所需的精度而言，将FBG写入到最外边缘极其复杂。然而，为了实现光栅的最大反射率，以生成高效的光纤激光器谐振腔结构，这种无缝精度是必不可少的，没有其他选择。

在将这一概念应用于半导体激光器的频率稳定时，她专注于设计FBG的特性，使半导体激光器只发射所需要的波长。Klein不再追求使FBG的反射率最大化这一目标。相反，她专门调整了FBG的特性，以优化用于泵浦应用的半导体激光器发射的光谱特性。

图2：Sarah Klein凭借一种用于多模激光器的FBG直写工艺，获得雨果·盖格奖（Hugo Geiger Prize）。

荣获雨果·盖格奖

由于创新的研究成果，Sarah Klein于 2025 年 2 月 19 日在享有盛誉的雨果·盖格奖（Hugo Geiger Prize）评选中荣获三等奖，该奖项由巴伐利亚自由州和弗劳恩霍夫协会每年颁发一次，表彰在应用科学领域取得杰出成就的青年研究人员。

到目前为止，对于多模激光器而言，FBG的光学设计及其在超短脉冲激光工艺中的直接写入几乎未被研究。Klein的博士论文《用于多模高功率激光二极管和光纤激光器频率稳定的光纤布拉格光栅》彻底改变了这一现状。她说：“我很高兴能获得这个重要奖项！这表明我将为单模光纤激光器建立的概念应用到其他激光束源的想法是正确的。”

基于Klein的研究，未来多模二极管激光器可以省去外部光学元件，从而降低系统的复杂程度、组装工作量、故障易发性和成本。与此同时，对这些光束源进行光谱稳定的新可能性扩大了它们的应用潜力，无论是作为高效的泵浦源，还是作为通信技术、传感器技术以及工业生产中直接激光材料加工的光束源。