單頻雙包層光纖放大器2雙包層光纖內(nèi)包層的設(shè)計(jì)

內(nèi)包層形狀對(duì)光纖的泵浦效率有著重要影響。由于內(nèi)包層是泵浦光的多模波導(dǎo)，泵浦光必須多次穿過(guò)纖芯才能被稀土離子吸收。內(nèi)包層的形狀影響著泵浦光的吸收從而影響著泵浦耦合效率。

大多數(shù)雙包層光纖都是圓對(duì)稱(chēng)形的，它有以下優(yōu)點(diǎn):一是不需要對(duì)預(yù)制棒做光學(xué)機(jī)械加工使工藝更加簡(jiǎn)單，二是當(dāng)泵浦源為帶尾纖的 LD，圓形石英包層之間的尺寸匹配易于耦合連接。但是也有一個(gè)的缺點(diǎn):圓對(duì)稱(chēng)特性會(huì)使內(nèi)包層中大量的泵浦光成為螺旋光，只有子午光線(xiàn)與纖芯相交，而偏射光線(xiàn)由于波導(dǎo)結(jié)構(gòu)的對(duì)成性，呈螺旋型傳導(dǎo)，從不穿過(guò)纖芯，所以泵浦效果很低。在傳輸?shù)倪^(guò)程中不經(jīng)過(guò)摻 Yb3+的纖芯，從而大大降低了纖芯對(duì)泵浦光的利用效率。

為了克服這個(gè)缺陷，需要開(kāi)發(fā)新型的內(nèi)包層截面。在各種改進(jìn)的泵浦方案中，有的采用雙包層光纖直接與半導(dǎo)體激光器的發(fā)光面或陣列耦合，有的與集成束狀的尾纖耦合，因此也需要研制具有特殊形狀內(nèi)包層的雙包層光纖。為了提高對(duì)泵光的利用效率，并考慮到與具體的泵源形式相匹配，近幾年來(lái)人們開(kāi)發(fā)出了多種內(nèi)包層截面形狀的雙包層光纖，用于各種包層泵浦光纖激光器的研制工作中，取得了很好的效果。

泵浦光在這些有不同形狀內(nèi)包層的雙包層光纖中傳輸時(shí)，纖芯中的稀土元素對(duì)泵光吸收率有很大不同。一般認(rèn)為，矩形雙包層光纖具有較大的吸收率，理論上可達(dá)到 100%的吸收。圓形的雙包層光纖，光纖的曲率對(duì)吸收率的影響非常大，而對(duì)矩形雙包層光纖，光纖的曲率對(duì)吸收率的影響非常小。還有內(nèi)包層尺寸對(duì)泵浦光耦合效率的影響，激光吸收效率的影響。

內(nèi)包層的設(shè)計(jì)主要集中在 3 點(diǎn):包層形狀、幾何尺寸和數(shù)值孔徑。為了提高泵浦效率，包層形狀設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)考慮光纖的用途及泵浦條件，小芯徑光纖的設(shè)計(jì)還應(yīng)考慮泵浦光耦合、連接損耗等問(wèn)題，同時(shí)應(yīng)避免包層形狀中出現(xiàn)尖銳的曲線(xiàn)，避免降低光纖的強(qiáng)度。對(duì)于一定的泵浦光，增大內(nèi)包層幾何尺寸和數(shù)值孔徑有利于其耦合和傳輸，特別是增大數(shù)值孔徑，內(nèi)包層可傳輸泵浦功率將以平方增長(zhǎng)。但是，無(wú)論內(nèi)包層形狀如何設(shè)計(jì)，增加其橫截面積，也就是減小纖芯和內(nèi)包層的面積比終究會(huì)減少對(duì)泵浦光的吸收，降低泵浦效率，同時(shí)，對(duì)光纖的泵浦波段 ASE噪聲產(chǎn)生很大影響。

雙包層(double-clad，DC)光纖結(jié)構(gòu)中，纖芯被直徑更大的多模(multimode)內(nèi)包層包裹，泵浦光通過(guò)內(nèi)包層傳送，泵浦源可以使用功率較高相對(duì)成本較低的多模泵浦源。雙包層光纖的出現(xiàn)，光纖激光器和光纖放大器可以產(chǎn)生更高的平均功率和脈沖能量。

雙包層光纖的結(jié)構(gòu)與內(nèi)包層設(shè)計(jì)

一種典型的雙包層光纖的結(jié)構(gòu)，如上圖所示，雙包層光纖由四層構(gòu)成，分別為光纖芯、內(nèi)包層、外包層和保護(hù)層，纖芯是由摻稀土元素的 SiO2 構(gòu)成，它作為激光的傳輸通道，對(duì)相關(guān)波長(zhǎng)應(yīng)設(shè)計(jì)成單模，以保證輸出激光是基橫模。包層由橫向尺寸和數(shù)值孔徑比纖芯大的多、折射率比纖芯小的 SiO2 構(gòu)成，它是泵浦光傳輸通道，對(duì)泵浦光是多模的。

一般內(nèi)包層可以做成各種形狀，有圓形的、方形的、矩形的，泵浦光在不同形狀的內(nèi)包層中傳輸時(shí)，纖芯對(duì)泵浦光的吸收率不同。外包層是由折射率比內(nèi)包層小的聚合物材料構(gòu)成，這樣在內(nèi)包層和外包層之間形成了一個(gè)大截面、大數(shù)值孔徑的光波導(dǎo)，它可以允許大數(shù)值孔徑、大截面和多模的高功率泵光耦合到光纖中。最外層是硬塑料，用來(lái)保護(hù)光纖。雙包層光纖與傳統(tǒng)的單模光纖的區(qū)別在于:通過(guò)光纖結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和選擇合適的材雙包層鉺鐿共摻光纖放大器的研究料，緊靠纖芯的內(nèi)包層折射率高于外包層折射率，從而在單模纖芯外面形成允許在其中傳輸高功率多模泵浦光的內(nèi)包層。當(dāng)泵浦光沿內(nèi)包層縱向傳播時(shí)，將多次穿越纖芯，從而激發(fā)稀土離子產(chǎn)生激光效應(yīng)。由于允許包層中泵浦光多模傳輸，所以對(duì)泵浦源的要求大大降低，可以選擇相對(duì)便宜的多模激光二極管進(jìn)行泵浦，同時(shí)由于內(nèi)包層具有較大橫截面積和數(shù)值孔徑，所以大大提高了入纖泵浦功率和耦合效率。

對(duì)于采用雙胞層光纖的高功率 EYDFA，泵浦方式的選擇至關(guān)重要。為了提高泵浦光的耦合效率，得到更高的飽和輸出功率，必須選擇合適的雙包層光纖泵浦耦合技術(shù)。

隨著技術(shù)的發(fā)展，大功率激光器和光纖放大器廣泛應(yīng)用與光通信，自由空間通信系統(tǒng)，光纖傳感，以及基于光纖的微波信號(hào)的傳輸和處理等領(lǐng)域，為了追求更大的功率輸出和增益，對(duì)于使用雙包層光纖的光纖激光器和光纖放大器，如何將泵浦光高效的耦合進(jìn)雙包層光纖中，成為了制約光纖激光器和光纖放大器性能的關(guān)鍵因素。

泵浦技術(shù)，作為光纖激光器和光纖放大器的核心技術(shù)，就是要將以激光二極管 LD 或者二極管陣列 LD bar 作為光源的泵浦光功率耦合入雙包層光纖的內(nèi)包層或者光纖纖芯，以獲得較高的功率輸出。

常用的有三種耦合方式:1)端面泵浦耦合，2)taper 光纖耦合，3)側(cè)面泵浦耦合，本節(jié)將論述部分典型的泵浦耦合技術(shù)，通過(guò)對(duì)工作方式和性能的比較，選擇適合本課題的泵浦耦合方式。

端面泵浦耦合

將泵浦光耦合進(jìn)內(nèi)包層最早提出的方法是端面泵浦耦合技術(shù)，這種技術(shù)是將LD 發(fā)出的泵浦光直接耦合進(jìn)多模光纖，分直接耦合和透鏡耦合等多種方法。直接耦合是指將一根端面為平面的光纖直接靠近光源發(fā)射面，考慮到光源光束的最大發(fā)散角與接收光纖的數(shù)值孔徑角不匹配程度，一般耦合效率約為 20%，這種方式更常用于兩根相同光纖之間的耦合。

透鏡耦合是利用一組準(zhǔn)直聚焦透鏡組和二向色反射鏡耦合系統(tǒng)，把多模抽運(yùn)光耦合進(jìn)雙包層光纖的內(nèi)包層中，加透鏡的目的在于將光源的發(fā)射面積和發(fā)散角經(jīng)過(guò)成像靠近接收光纖的發(fā)光面積和發(fā)散角，從而提高耦合效率。從而提高耦合效率這種耦合方式在實(shí)驗(yàn)室最常見(jiàn)，技術(shù)最簡(jiǎn)單，但耦合效率低(約為 50%)。

端面泵浦耦合優(yōu)點(diǎn)是結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，但是存在如下缺陷:在雙包層光纖放大器中，要將多模泵浦光和單模信號(hào)同時(shí)耦合到雙包層光纖中，就必須采用體積較大的二相色鏡來(lái)耦合，增加了成本和體積。泵浦光只能通過(guò)雙包層光纖的兩個(gè)端面注入雙包層光纖中，由于光纖端面的面積有限，所以限制了不能由 LD 陣列將高功率激光耦合到雙包層光纖中。泵浦耦合占用了端面，不能再融解其他光纖器件，只能通過(guò)分光鏡將信號(hào)光和泵浦光復(fù)用，這樣導(dǎo)致插入損耗增大。

此外，該方式需采用高精度的多維光纖調(diào)節(jié)系統(tǒng)，也帶來(lái)了因調(diào)節(jié)系統(tǒng)的漂移引起的系統(tǒng)穩(wěn)定性問(wèn)題。

有鑒于此，光纖側(cè)面泵浦耦合技術(shù)用于將泵浦光耦合進(jìn)入雙包層光纖內(nèi)包層的研究也逐漸展開(kāi)。針對(duì)于雙包層光纖的特點(diǎn)先后發(fā)展了多種側(cè)面泵浦耦合技術(shù)。

Taper 耦合方式是通過(guò)錐導(dǎo)管把泵浦光導(dǎo)入雙包層光纖，泵浦光的尺寸通常都較光纖纖芯大幾個(gè)數(shù)量級(jí)，利用錐管雙端結(jié)構(gòu)尺寸的不同，小的一端與光纖熔接到一起，其尺寸與光纖內(nèi)包層相同。較大的一端，尺寸與泵浦 LD 尾纖尺寸相同并把泵浦光通過(guò)較大尺寸一端輸入，由導(dǎo)管自身的特性匯聚光束，從小尺寸一端導(dǎo)入光纖，最常見(jiàn)的錐導(dǎo)管是圓錐狀結(jié)構(gòu)，但是錐導(dǎo)管的制作工藝比較復(fù)雜。

側(cè)面泵浦

1) 多模光纖熔錐側(cè)面泵浦耦合方式熔融拉錐定向耦合器又被稱(chēng)作合束器。多模光纖熔融拉錐定向耦合是將多根裸光纖和去掉外包層的雙包層光纖纏繞在一起，在高溫火焰中加熱使之熔化，同時(shí)在光纖兩端拉伸光纖，使光纖熔融區(qū)成為錐形過(guò)渡段，能夠?qū)⒈闷止庥啥嗄９饫w輸入經(jīng)由雙包層光纖側(cè)面導(dǎo)入內(nèi)包層，從而實(shí)現(xiàn)定向側(cè)面耦合泵浦。

光纖定向耦合器主要用于光分路或者合路連接器，采用較為成熟的熔錐法生產(chǎn)，工藝較簡(jiǎn)單，制作周期短，適于實(shí)現(xiàn)微機(jī)控制的半自動(dòng)化生產(chǎn)。但是，這種用于通訊的單模光纖定向耦合器是將一路或一路以上輸入光信號(hào)按一定比例要求分配到兩路或多路輸出的光信號(hào)中去。其原理決定其只能進(jìn)行對(duì)輸入信號(hào)光功率分配，因此輸出的信號(hào)光功率必定小于輸入最大信號(hào)的光功率，因而無(wú)法用于實(shí)現(xiàn)光功率的擴(kuò)展。由于在雙包層光纖側(cè)面耦合泵浦技術(shù)中，在錐形區(qū)耦合段需要將多模泵浦光纖的包層去除露出纖芯，同時(shí)雙包層的外包層也要去除露出內(nèi)包層，并且要使之能夠融合在一起，因此其生產(chǎn)工藝較為復(fù)雜，雖然已有相關(guān)專(zhuān)利可供查詢(xún)參考，但是最為重要的關(guān)鍵過(guò)程未見(jiàn)報(bào)導(dǎo)。

2) V 槽側(cè)面泵浦耦合

在這種方式中，雙包層光纖被剝?nèi)ネ獍鼘?，并粘合一塊玻璃襯底，在裸露的內(nèi)包層上刻蝕出一個(gè) V 形溝槽(溝槽不觸及纖芯)，泵浦光束經(jīng)由 V 形溝槽的內(nèi)反射面?zhèn)魉瓦M(jìn)入到內(nèi)包層。為了使泵浦光聚焦到 V 溝槽的內(nèi)反射面上，將使用一個(gè)微型透鏡對(duì)泵浦光束進(jìn)行聚焦。這種方式具有高的耦合效率，封裝緊湊，可以雙向泵浦，由于可以同時(shí)刻蝕多個(gè) V 形溝槽，所以具有可擴(kuò)展性，光纖尾端不會(huì)被堵塞，光在纖芯中傳播的過(guò)程中不會(huì)引入光強(qiáng)度的損耗。激光二極管、聚焦透鏡、雙包層光纖，三者之間的距離對(duì)耦合效率的影響很大。在一種實(shí)現(xiàn)方式中，可以忽略微型聚焦透鏡，這樣可以顯著降低安裝的靈敏度;但是這樣的方式將導(dǎo)致雙向泵浦。粘合雙包層光纖與襯底的粘合劑必須具有適合的光學(xué)和物理特性，以使得粘合穩(wěn)固同時(shí)保證泵浦光能傳送到內(nèi)包層中。

為了提高耦合效率，V 槽側(cè)面的面型要求能夠?qū)Ρ闷止馊?，此外，還需在泵浦光入射的內(nèi)包層一側(cè)增加一層襯底，襯底材料的折射率應(yīng)該與光纖內(nèi)包層折射率相近，并且可以加鍍?cè)鐾改?。利用該?cè)面泵浦耦合技術(shù)的光線(xiàn)激光放大器可以得到數(shù)瓦的激光輸出。該側(cè)面泵浦耦合方式原理簡(jiǎn)單，但工藝加工要求卻很高，因?yàn)?V 槽的側(cè)面要作為反射面，要對(duì)其進(jìn)行拋光等相應(yīng)處理。加工的時(shí)候還要避免對(duì)于纖芯的破壞，因此，要確保槽的精細(xì)結(jié)構(gòu)。此外，由于利用了微透鏡準(zhǔn)直，LD 泵浦源、微透鏡以及雙包層光纖的相對(duì)位置對(duì)于耦合效率的影響較大。

3) 嵌入反射鏡式泵浦耦合

嵌入反射鏡式泵浦耦合方式是在 V 槽側(cè)面泵浦耦合方式上的改進(jìn)。首先將雙包層光纖的外包層去除一小部分，然后在內(nèi)包層上刻蝕出一個(gè)小槽，槽的深度足夠放入用來(lái)反射泵浦光的嵌入微反射鏡，但是距纖芯還有一定距離，以保證不破壞纖芯。嵌入的微反射鏡的反射面可以是平面或是根據(jù)優(yōu)化設(shè)計(jì)的曲面，為了得到高的耦合效率，其反射面事先鍍上了高反率的膜層，入射面鍍了對(duì)泵浦光的增透膜。該技術(shù)中采用了光學(xué)膠用以將嵌入微反鏡的出射面和光纖內(nèi)包層粘接固定，同時(shí)光學(xué)膠還作為折射率匹配介質(zhì)用來(lái)降低界面的反射損耗。

嵌入反射鏡式泵浦耦合避免了 V 槽側(cè)面泵浦耦合要求利用側(cè)面作為反光面的方式，因此，對(duì)于槽的加工要求大大降低，但是仍要保證槽深不能破壞纖芯。

單頻、高功率激光在激光雷達(dá)、光譜學(xué)、精密測(cè)量等領(lǐng)域有非常廣泛的應(yīng)用。與其他獲得單頻、高功率激光的方法(如傳統(tǒng)的行波放大、注入鎖定)相比，光纖放大具有體積小、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、可控性和輸出頻譜特性好等優(yōu)點(diǎn)。隨著包層抽運(yùn)技術(shù)的出現(xiàn)，單頻光纖放大器的轉(zhuǎn)換效率得到大幅度提高，在高功率和光頻特性良好的激光束方面因其獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)而成為人們研究的熱點(diǎn)。

國(guó)外在單頻光纖放大器方面的工作開(kāi)展較早，并已取得顯著的成績(jī)。1999 年漢諾威激光中心的Zawischa I 等利用摻N光纖放大獲得了波長(zhǎng)1064 nm、功率5.5 W 的單頻輸出，光原光轉(zhuǎn)換效率為35%。其種子源為單塊非平面環(huán)形腔激光器(NPRO)，輸出功率750 mW。雙包層光纖芯徑為11依1 mm，數(shù)值孔徑(NA)0.11;內(nèi)包層直徑為400 mm，NA0.38。光纖長(zhǎng)30 m，并纏繞在直徑為22cm 的圓盤(pán)上，以抑制高階模式，獲得單模輸出。

2003 年，德國(guó)Liem A 等[2]報(bào)道了利用摻Y(jié)b3+光纖放大獲得了100 W 的單頻輸出。采用大模場(chǎng)面積(LMA)雙包層光纖，芯徑30mm，NA0.06;內(nèi)包層為D 型，直徑400 mm，NA0.38，光纖長(zhǎng)度為9.4m。以NPRO 為種子源，其最高輸出功率為1.6 W，光束質(zhì)量因子M2 約1.1，線(xiàn)寬2~3 kHz，波長(zhǎng)1064 nm。當(dāng)入纖抽運(yùn)光為175W，信號(hào)光為1.6 W時(shí)，實(shí)驗(yàn)獲得100 W 的單頻輸出，光原光轉(zhuǎn)換效率為63%。

光纖放大器一般由種子源、抽運(yùn)源、增益介質(zhì)光纖、光隔離器及耦合系統(tǒng)等部分組成。雙包層光纖放大器的獨(dú)特之處在于其增益介質(zhì)為雙包層光纖，由摻雜纖芯、內(nèi)包層、外包層、保護(hù)層4 部分組成，與常規(guī)光纖相比，多了一個(gè)可以傳輸抽運(yùn)光的內(nèi)包層。纖芯由摻稀土元素的SiO2 構(gòu)成，它作為產(chǎn)生激光的波導(dǎo)，一般情況下是單模的;內(nèi)包層由橫向尺寸和數(shù)值孔徑都比纖芯大得多、折射率比纖芯小的SiO2構(gòu)成，是抽運(yùn)光通道，對(duì)抽運(yùn)光波長(zhǎng)來(lái)說(shuō)是多模的，用以傳輸高功率的抽運(yùn)光。抽運(yùn)光從一端通過(guò)耦合系統(tǒng)進(jìn)入雙包層光纖，在內(nèi)包層傳輸過(guò)程中，以折射方式反復(fù)穿越纖芯，被摻雜離子吸收，形成粒子數(shù)反轉(zhuǎn)以實(shí)現(xiàn)增益;信號(hào)光在另一端耦合進(jìn)入纖芯，最終獲得高功率、光束質(zhì)量好的放大激光輸出。

雙包層光纖放大器采用的是行波放大的原理。纖芯中的摻稀土離子在抽運(yùn)光作用下，處于粒子數(shù)反轉(zhuǎn)狀態(tài)，當(dāng)信號(hào)光通過(guò)纖芯時(shí)，由于信號(hào)光頻率與雙包層光纖的增益譜線(xiàn)相重合，故激發(fā)態(tài)上的粒子在外來(lái)信號(hào)光的作用下產(chǎn)生受激輻射，這種輻射疊加到外來(lái)信號(hào)光上而得到放大。

單頻、高功率激光在激光雷達(dá)、光譜學(xué)、精密測(cè)量等領(lǐng)域有非常廣泛的應(yīng)用。與其他獲得單頻、高功率激光的方法(如傳統(tǒng)的行波放大、注入鎖定)相比，光纖放大具有體積小、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、可控性和輸出頻譜特性好等優(yōu)點(diǎn)。隨著包層抽運(yùn)技術(shù)的出現(xiàn)，單頻光纖放大器的轉(zhuǎn)換效率得到大幅度提高，在高功率和光頻特性良好的激光束方面因其獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)而成為人們研究的熱點(diǎn)。

國(guó)外在單頻光纖放大器方面的工作開(kāi)展較早，并已取得顯著的成績(jī)。1999 年漢諾威激光中心的Zawischa I 等利用摻N光纖放大獲得了波長(zhǎng)1064 nm、功率5.5 W 的單頻輸出，光原光轉(zhuǎn)換效率為35%。其種子源為單塊非平面環(huán)形腔激光器(NPRO)，輸出功率750 mW。雙包層光纖芯徑為11依1 mm，數(shù)值孔徑(NA)0.11;內(nèi)包層直徑為400 mm，NA0.38。光纖長(zhǎng)30 m，并纏繞在直徑為22cm 的圓盤(pán)上，以抑制高階模式，獲得單模輸出。

2003 年，德國(guó)Liem A 等[2]報(bào)道了利用摻Y(jié)b3+光纖放大獲得了100 W 的單頻輸出。采用大模場(chǎng)面積(LMA)雙包層光纖，芯徑30mm，NA0.06;內(nèi)包層為D 型，直徑400 mm，NA0.38，光纖長(zhǎng)度為9.4m。以NPRO 為種子源，其最高輸出功率為1.6 W，光束質(zhì)量因子M2 約1.1，線(xiàn)寬2~3 kHz，波長(zhǎng)1064 nm。當(dāng)入纖抽運(yùn)光為175W，信號(hào)光為1.6 W時(shí)，實(shí)驗(yàn)獲得100 W 的單頻輸出，光原光轉(zhuǎn)換效率為63%。

作為當(dāng)今光電信息領(lǐng)域較前沿的方向之一，脈沖雙包層光纖放大器日益成為國(guó)際上研究的熱點(diǎn)。國(guó)外主要有英國(guó)的南安普頓大學(xué)光電研究中心、德國(guó)耶拿大學(xué)應(yīng)用物理研究所、美國(guó)密歇根州大學(xué)和美國(guó)的IPG等對(duì)此進(jìn)行了相關(guān)研究。在國(guó)內(nèi)，脈沖雙包層光纖放大器的研究起步較晚，主要的研究單位有中科院上海光機(jī)所、清華大學(xué)、中國(guó)電子科技集團(tuán)第十一所和中科院西安光機(jī)所等。上海光機(jī)所、中國(guó)電子科技第十一所和清華大學(xué)對(duì)MOPA 方式的脈沖光纖放大器進(jìn)行了理論和實(shí)驗(yàn)研究，并取得了重要進(jìn)展。

2002 年，德國(guó)Limpert J 等報(bào)道了利用MOPA 技術(shù)獲得納秒脈沖的方法。以調(diào)Q Nd:YAG 薄片激光器作種子源，平均功率為6W，重復(fù)頻率3~50 kHz，脈沖寬度70~300 ns，最大單脈沖能量0.6mJ。所用光纖是長(zhǎng)25 m 的大模場(chǎng)面積(LMA)光纖，纖芯直徑30mm，NA0.06;內(nèi)包層為D 型，直徑400 mm，NA0.38。抽運(yùn)源為中心波長(zhǎng)976 nm 的半導(dǎo)體激光器(LD)，通過(guò)一45毅雙色片將抽運(yùn)光從雙包層光纖的一端耦合進(jìn)入雙包層光纖的內(nèi)包層，種子光從另一端耦合進(jìn)入雙包層光纖的纖芯。采用上述方法，在1064 nm 處實(shí)現(xiàn)了最大平均功率100 W 的激光輸出，光原光轉(zhuǎn)換效率為71%，重復(fù)頻率50 kHz，單脈沖能量2mJ，脈沖寬度80 ns，脈沖占空比為4伊10-3。重復(fù)頻率為3 kHz時(shí)，單脈沖能量4 mJ，脈寬壓縮為50 ns。2005 年4 月，上海光機(jī)所以4 m長(zhǎng)的國(guó)產(chǎn)高摻雜濃度摻Y(jié)b3+雙包層光纖(纖芯43 mm，NA0.08;D 形內(nèi)包層650 mm/600mm，NA0.38，Yb3 +摻雜濃度為0.65%)作為放大介質(zhì)，以調(diào)Q 脈沖激光器作為種子源(最大輸出平均功率為1 W，頻率20耀100kHz 可調(diào)，波長(zhǎng)在1064 nm)，在種子光功率為1 W 左右時(shí)，獲得高功率放大脈沖激光輸出[4]。實(shí)驗(yàn)裝置如圖2 所示。在重復(fù)頻率為100 kHz 時(shí)，測(cè)得放大脈沖激光的平均功率最高達(dá)133.8 W，脈沖寬度400 ns，脈沖占空比為4伊10-2，斜率效率為56%，光原光轉(zhuǎn)換效率53%。重復(fù)頻率在20耀100 kHz 可調(diào)，在60 kHz 重復(fù)頻率時(shí)，典型的脈沖寬度為30 ns。

2005 年，美國(guó)密歇根州大學(xué)以單模LD 為種子光源，采用多級(jí)光纖放大的方式，獲得了高脈沖能量的光纖激光輸出。重復(fù)頻率小于100 Hz，脈寬500 ns 時(shí)的脈沖能量高達(dá)82 mJ，脈沖占空比為5伊10-5;脈寬50 ns 時(shí)，脈沖能量為27 mJ (對(duì)應(yīng)的重復(fù)頻率為25 Hz);脈寬4 ns 時(shí)，脈沖能量為9.6 mJ。前兩級(jí)為常規(guī)單模光纖放大，第三級(jí)為預(yù)放，采用大模場(chǎng)直徑的多模光纖(纖芯50 mm，NA0.06;六角形內(nèi)包層350 mm，NA0.45)，1064 nm 的小信號(hào)增益達(dá)27 dB。最后一級(jí)功率放大所用的是粗芯雙包層光纖，纖芯直徑達(dá)200 mm(但摻雜直徑為100 mm)，NA0.062，內(nèi)包層為八角形，尺寸600 mm，NA0.46，光纖長(zhǎng)度為3.5 m。除納秒級(jí)脈沖光纖放大器外，國(guó)內(nèi)外研究機(jī)構(gòu)也對(duì)皮秒級(jí)脈沖光纖放大器的研制做了有益探索，并取得了突破性進(jìn)展。2006年，英國(guó)南安普頓大學(xué)光電研究中心以增益可調(diào)的單縱模LD 為種子源，采用四級(jí)光纖放大方式，在1064 nm 處獲得了平均功率超過(guò)300 W 的脈沖激光輸出，脈寬20 ps，脈沖占空比為2伊10-2，M2為2.4。這是迄今為止國(guó)內(nèi)外報(bào)道的功率最高的皮秒級(jí)脈沖光纖放大器。種子源為增益可調(diào)的單縱模LD，重復(fù)頻率為1 GHz，能產(chǎn)生波長(zhǎng)1060 nm，脈寬為56 ps 的脈沖。種子源由一個(gè)連續(xù)分布反饋式(DFB)光纖激光器驅(qū)動(dòng)，使之維持單縱模運(yùn)轉(zhuǎn)。

通過(guò)一個(gè)啁啾光纖布拉格光柵(CFBG)，脈寬被壓縮為20 ps。前三級(jí)為常規(guī)單模光纖預(yù)放，最后一級(jí)功率放大所用的是粗芯雙包層光纖， 纖芯直徑43 mm，NA0.09，內(nèi)包層為D 形，尺寸650mm/600 mm，光纖長(zhǎng)度為8 m。光纖兩端都磨拋成10毅的傾斜角，以抑制放大的自發(fā)輻射(ASE)。同國(guó)外報(bào)道結(jié)果相比，我國(guó)的脈沖光纖激光研究同國(guó)際水平已經(jīng)接近，在某些技術(shù)指標(biāo)上已經(jīng)居于領(lǐng)先水平;但在最高峰值功率方面還有較大差別。尤其在低重復(fù)頻率的脈沖激光實(shí)驗(yàn)中，由于他們采用了200 mm 纖芯的放大光纖，纖芯面積增大，激光損傷閾值提高，因而可承受和提供更高的峰值激光功率。但在重復(fù)頻率相近的高重頻方面，國(guó)內(nèi)的峰值功率水平和國(guó)外相差不大。