高功率雙包層光纖放大器

光纖放大器一般由種子源、抽運源、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、保護層4 部分組成，與常規(guī)光纖相比，多了一個可以傳輸抽運光的內(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，是抽運光通道，對抽運光波長來說是多模的，用以傳輸高功率的抽運光。抽運光從一端通過耦合系統(tǒng)進入雙包層光纖，在內(nèi)包層傳輸過程中，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)以實現(xiàn)增益;信號光在另一端耦合進入纖芯，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光作用下，處于粒子數(shù)反轉(zhuǎn)狀態(tài)，當(dāng)信號光通過纖芯時，由于信號光頻率與雙包層光纖的增益譜線相重合，故激發(fā)態(tài)上的粒子在外來信號光的作用下產(chǎn)生受激輻射，這種輻射疊加到外來信號光上而得到放大。

作為光纖放大器中的重要組成部分，雙包層光纖的選擇和優(yōu)化在實際應(yīng)用中顯得尤為重要。要獲得高平均功率、高峰值功率的脈沖激光輸出，須采用纖芯直徑較大(>10mm)、數(shù)值孔徑較低的大模場面積光纖。在實驗中通常采用的雙包層光纖的芯徑為30 mm，NA0.06。上海光機所采用高摻雜濃度的摻Y(jié)b3+雙包層光纖，芯徑為43 mm。而美國密歇根州大學(xué)的多級光纖放大器中，最后一級功率放大所用的雙包層光纖的芯徑高達200 mm。但由于纖芯直徑的增大，單橫模的種子光源耦合進入光纖，在多模光纖內(nèi)傳播的結(jié)果，可能成為多模的放大激光光束，光纖放大器將會對激光的光束質(zhì)量產(chǎn)生影響。因此，要得到高光束質(zhì)量的放大激光輸出，必須采用模式控制技術(shù)。此外，雙包層光纖的內(nèi)包層形狀也是影響抽運光耦合效率的一個至關(guān)重要的因素，不同形狀的內(nèi)包層吸收系數(shù)也不同，因此要實現(xiàn)高功率光纖激光輸出，必須選擇較好的光纖結(jié)構(gòu)。內(nèi)包層形狀呈D 形、長方形、梅花瓣形等的光纖對抽運光的吸收效率較高，但D 形、長方形和正方形存在幾種局域模式，致使光線在包層中穩(wěn)定反射而不能進入纖芯，因此設(shè)計內(nèi)包層形狀新穎、工藝上能接受的雙包層光纖，盡可能地除去光線的一切局域穩(wěn)定模式，可以使得對抽運光的吸收效率更高，同樣摻雜濃度的情況下所需的光纖更短。美國密歇根州大學(xué)所采用的粗芯雙包層光纖的內(nèi)包層為八角形，尺寸600mm、NA0.46，使得抽運光的耦合效率大為提高。在國內(nèi)，上海光機所王之江院士基于激光技術(shù)中的非穩(wěn)腔概念，提出了"非穩(wěn)腔形"內(nèi)包層形狀的雙包層光纖，這種新穎內(nèi)包層形狀的雙包層光纖更有利于高功率激光輸出。

對于脈沖雙包層光纖放大器來講，為進一步增大單脈沖能量和提高峰值功率，必須采取措施抑制光纖中可能出現(xiàn)的非線性效應(yīng)。由于脈沖雙包層光纖放大器纖芯中的激光峰值功率密度非常高，且光纖較長，非線性效應(yīng)出現(xiàn)的可能性很大。光纖中主要的非線性效應(yīng)包括受激布里淵散射(SBS)和受激拉曼散射(SRS)。在光纖放大中由于SBS 比SRS 閾值低，故SBS 就成為光纖放大器中主要的非線性來源。避免SBS主要有兩條途徑:減少光纖長度和增大光纖的芯徑。所以光纖長度的優(yōu)化是一個非常重要的環(huán)節(jié)。此外，在光纖放大中，光纖端面的激光損傷也是不容忽視的一個問題。通常采取在雙包層光纖輸出端面熔接一段磨拋成一定角度的空芯光纖的"光纖帽"這一技術(shù)手段，以增大放大脈沖激光和光纖端面的相互作用面積，提高端面激光損傷閾值。

由國內(nèi)外光纖放大器的研究現(xiàn)狀可以看出，在實驗室中通常采用端面耦合的抽運方式。

上海光機所研制的脈沖雙包層光纖放大器采用的是透鏡直接端面耦合抽運光方式，耦合效率達90%。通過采用空間濾波和非球面耦合技術(shù)，將半導(dǎo)體激光器發(fā)出的抽運光高效耦合進入雙包層光纖的內(nèi)包層中。采用透鏡直接耦合的方法，可以獲得高功率的激光輸出。但由于穩(wěn)定性較差，商用光纖激光器一般不采用此類方法。光纖端面熔接耦合是端面抽運的另外一種方式。采用帶尾纖輸出的大功率LD，尾纖與雙包層光纖的一端熔接起來，在熔接處雙包層光纖的纖芯上刻錄光纖布拉格光柵，另一端拋光以構(gòu)成諧振腔。美國密歇根州大學(xué)研制的四級放大脈沖光纖放大器中的前兩級單模光纖放大采用的就是光纖端面熔接耦合方式[5]。雖然該方式結(jié)構(gòu)牢固，但作為抽運源的大功率LD 列陣須用半導(dǎo)體制冷，所發(fā)出的激光需要經(jīng)過光束整形、準(zhǔn)直、非球面鏡聚焦耦合到直徑為幾百微米的光纖中，因此整機體積較大，構(gòu)造復(fù)雜，成本較高。

除上述的端面抽運技術(shù)外，國內(nèi)外還相繼發(fā)展了多種側(cè)面耦合技術(shù)，如V 形槽側(cè)面抽運、微棱鏡側(cè)面耦合抽運、內(nèi)嵌反射鏡側(cè)面抽運、光纖側(cè)面膠合抽運等，其耦合效率分別可達90%、88%、91%、90%。側(cè)面耦合技術(shù)耦合效率較高，但是加工工藝較為復(fù)雜，成本較高。

在全球范圍內(nèi)，全光纖激光器是光纖激光器實用化和產(chǎn)業(yè)化的最佳途徑，也是目前進入商業(yè)化和產(chǎn)業(yè)化最受重視的技術(shù)方案。我國在高功率光纖激光器的研究方面已經(jīng)取得重要進展。

在某些激光應(yīng)用中，往往要求激光具有很高的能量(或功率)，如激光慣性約束聚變(ICF)至少需要上萬焦耳的能量，激光雷達需要大功率的調(diào)制激光。但欲獲得高能量激光，僅靠激光器來實現(xiàn)存在諸多困難，這是因為提高激光器的輸出功率與其他指標(biāo)(如單色性、脈寬、調(diào)制性能、光束發(fā)散角等)要求是相矛盾的。利用調(diào)Q 或鎖模技術(shù)，可以獲得極高的峰值功率(109~1012 W)。其峰值之所以大得驚人，是由于把能量壓縮在極短的時間內(nèi)釋放出來的緣故。但是這種高峰值功率的激光器實際上所輸出的能量往往并不一定很大。因此，采用種子源主振蕩放大技術(shù)(MOPA)來實現(xiàn)大脈沖能量、高平均功率成為一種理想選擇。所謂種子源主振蕩放大技術(shù)，就是采用高光束質(zhì)量、小功率的固體或光纖激光器為種子光源，雙包層光纖為放大器，通過將信號光耦合進光纖纖芯，將抽運光耦合進光纖內(nèi)包層，從而實現(xiàn)對種子光源的高功率放大。

單頻、高功率激光在激光雷達、光譜學(xué)、精密測量等領(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)簡單、可控性和輸出頻譜特性好等優(yōu)點。隨著包層抽運技術(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特的優(yōu)勢而成為人們研究的熱點。

國外在單頻光纖放大器方面的工作開展較早，并已取得顯著的成績。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30 m，并纏繞在直徑為22cm 的圓盤上，以抑制高階模式，獲得單模輸出。

2003 年，德國Liem A 等[2]報道了利用摻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，線寬2~3 kHz，波長1064 nm。當(dāng)入纖抽運光為175W，信號光為1.6 W時，實驗獲得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際上研究的熱點。國外主要有英國的南安普頓大學(xué)光電研究中心、德國耶拿大學(xué)應(yīng)用物理研究所、美國密歇根州大學(xué)和美國的IPG等對此進行了相關(guān)研究。在國內(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所、清華大學(xué)、中國電子科技集團第十一所和中科院西安光機所等。上海光機所、中國電子科技第十一所和清華大學(xué)對MOPA 方式的脈沖光纖放大器進行了理論和實驗研究，并取得了重要進展。

2002 年，德國Limpert J 等報道了利用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25 m 的大模場面積(LMA)光纖，纖芯直徑30mm，NA0.06;內(nèi)包層為D 型，直徑400 mm，NA0.38。抽運源為中心波長976 nm 的半導(dǎo)體激光器(LD)，通過一45毅雙色片將抽運光從雙包層光纖的一端耦合進入雙包層光纖的內(nèi)包層，種子光從另一端耦合進入雙包層光纖的纖芯。采用上述方法，在1064 nm 處實現(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，單脈沖能量4 mJ，脈寬壓縮為50 ns。2005 年4 月，上海光機所以4 m長的國產(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)，波長在1064 nm)，在種子光功率為1 W 左右時，獲得高功率放大脈沖激光輸出[4]。實驗裝置如圖2 所示。在重復(fù)頻率為100 kHz 時，測得放大脈沖激光的平均功率最高達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，典型的脈沖寬度為30 ns。

2005 年，美國密歇根州大學(xué)以單模LD 為種子光源，采用多級光纖放大的方式，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 時的脈沖能量高達82 mJ，脈沖占空比為5伊10-5;脈寬50 ns 時，脈沖能量為27 mJ (對應(yīng)的重復(fù)頻率為25 Hz);脈寬4 ns 時，脈沖能量為9.6 mJ。前兩級為常規(guī)單模光纖放大，第三級為預(yù)放，采用大模場直徑的多模光纖(纖芯50 mm，NA0.06;六角形內(nèi)包層350 mm，NA0.45)，1064 nm 的小信號增益達27 dB。最后一級功率放大所用的是粗芯雙包層光纖，纖芯直徑達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，光纖長度為3.5 m。除納秒級脈沖光纖放大器外，國內(nèi)外研究機構(gòu)也對皮秒級脈沖光纖放大器的研制做了有益探索，并取得了突破性進展。2006年，英國南安普頓大學(xué)光電研究中心以增益可調(diào)的單縱模LD 為種子源，采用四級光纖放大方式，在1064 nm 處獲得了平均功率超過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。這是迄今為止國內(nèi)外報道的功率最高的皮秒級脈沖光纖放大器。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1060 nm，脈寬為56 ps 的脈沖。種子源由一個連續(xù)分布反饋式(DFB)光纖激光器驅(qū)動，使之維持單縱模運轉(zhuǎn)。

通過一個啁啾光纖布拉格光柵(CFBG)，脈寬被壓縮為20 ps。前三級為常規(guī)單模光纖預(yù)放，最后一級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)。同國外報道結(jié)果相比，我國的脈沖光纖激光研究同國際水平已經(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)頻率的脈沖激光實驗中，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，國內(nèi)的峰值功率水平和國外相差不大。

內(nèi)包層形狀對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稱形的，它有以下優(yōu)點:一是不需要對預(yù)制棒做光學(xué)機械加工使工藝更加簡單，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。但是也有一個的缺點:圓對稱特性會使內(nèi)包層中大量的泵浦光成為螺旋光，只有子午光線與纖芯相交，而偏射光線由于波導(dǎo)結(jié)構(gòu)的對成性，呈螺旋型傳導(dǎo)，從不穿過纖芯，所以泵浦效果很低。在傳輸?shù)倪^程中不經(jīng)過摻 Yb3+的纖芯，從而大大降低了纖芯對泵浦光的利用效率。

為了克服這個缺陷，需要開發(fā)新型的內(nèi)包層截面。在各種改進的泵浦方案中，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，近幾年來人們開發(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，纖芯中的稀土元素對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，理論上可達到 100%的吸收。圓形的雙包層光纖，光纖的曲率對吸收率的影響非常大，而對矩形雙包層光纖，光纖的曲率對吸收率的影響非常小。還有內(nèi)包層尺寸對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)計主要集中在 3 點: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)計時應(yīng)考慮光纖的用途及泵浦條件，小芯徑光纖的設(shè)計還應(yīng)考慮泵浦光耦合、連接損耗等問題，同時應(yīng)避免包層形狀中出現(xiàn)尖銳的曲線，避免降低光纖的強度。對于一定的泵浦光，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。但是，無論內(nèi)包層形狀如何設(shè)計，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減少對泵浦光的吸收，降低泵浦效率，同時，對光纖的泵浦波段 ASE噪聲產(chǎn)生很大影響。

隨著大模場面積摻雜雙包層光纖和大功率半導(dǎo)體激光器(LD)的技術(shù)成熟，脈沖光纖放大器的研究也獲得了飛速發(fā)展，脈沖峰值功率越來越高。脈沖光纖放大器由于具有高光束質(zhì)量、便于熱管理、光纖輸出、結(jié)構(gòu)緊湊等優(yōu)勢，正廣泛運用于軍事，精密加工、醫(yī)療、太空通信等多個領(lǐng)域。窄脈寬、高功率、高光束質(zhì)量的的脈沖光纖放大器已成為研究的重點。

04 年，英國的 Southampton 大學(xué)的 A.malinowski 等人報道了一種全光纖放大系統(tǒng)，以摻鐿光纖激光器為種子源，用兩級摻鐿雙包層光纖放大器進行放大，最后用光柵對壓縮，在 62MHz 時獲得了 110fs，400nJ 的脈沖。 2005 年，美國的 F.D.Teodoro 和 C.D.Brooks 以調(diào) Q 的 Nd:LSB 微片激光器為種子源，通過雙包層摻鐿光纖和光子晶體光纖放大，圖 1.3 為實驗結(jié)構(gòu)圖，在10kHz 時，獲得了 1ns，1mJ 的脈沖。

2006 年 6 月，英國南安普頓大學(xué)的 J.Kim 等人利用 W 型纖芯結(jié)構(gòu)的雙包層光纖進行放大，實現(xiàn)了 53W，103ps 的脈沖輸出。

2007 年 A. Galvanauskas 又將 1~10ns 脈寬的種子脈沖信號經(jīng)雙級單模前置放大后，級聯(lián)兩級 LMA 摻鐿光纖放大器，獲得了 M約為 1.3，峰值功率超過 5MW的脈沖輸出。

國內(nèi)一些單位也開展了脈沖放大光纖放大器的研究。主要的研究單位有中科院上海光機所、清華大學(xué)、中國電子科技集團第十一所和中科院西安光機所等。 2004 年，上海光機所的孔令峰等人用調(diào) Q 激光器做種子源，用雙包層摻鐿光纖作為增益介質(zhì)，在 20kHz 時放大到了 0.3mJ 的脈沖能量。 2005 年，清華大學(xué)的葉昌庚等人報道了一種脈沖泵浦的摻鐿光纖放大系統(tǒng)。以調(diào) Q 的 Nd:YAG 微片激光器為種子源，以摻鐿雙包層光纖為增益介質(zhì)，在 200Hz時，最大得到了 138.2μJ 的單脈沖能量，其脈沖寬度為 0.83ns。

綜上所述，國內(nèi)外脈沖高功率光纖放大器的實驗研究主要采用的還是分立元器件設(shè)計，不利于提高激光器的穩(wěn)定性。本文中將采用 MOPA 結(jié)構(gòu)設(shè)計全光纖脈沖放大結(jié)構(gòu)，實現(xiàn)了平均功率 2W、重復(fù)頻率 50KHz、脈沖寬度為 20ns 的窄脈沖激光輸出。