連續(xù)波摻鐿雙包層光纖激光器

激光的產(chǎn)生是一個放大的過程。在這個過程中受激發(fā)射所占的比例遠(yuǎn)大于自發(fā)輻射。當(dāng)增益存在的條件下,受激發(fā)射所產(chǎn)生的光子繼續(xù)誘發(fā)受激發(fā)射,使受激發(fā)射光不斷增強。當(dāng)然最初誘發(fā)受激發(fā)射的光子源于自發(fā)發(fā)射。對于激光波長,流出光纖激光介質(zhì)的光子流要大于進(jìn)入這段光纖的光子流,即實現(xiàn)了光放大。

為了能產(chǎn)生激光,必須滿足一定的條件。第一個條件是粒子數(shù)反轉(zhuǎn)。僅當(dāng)處于激光上能級的粒子數(shù)超過處于激光下能級的粒子數(shù)時才能使介質(zhì)發(fā)生受激發(fā)射,從而產(chǎn)生增益。粒子數(shù)反轉(zhuǎn)的要求同時也引出了第二個條件,即粒子數(shù)反轉(zhuǎn)形成的過程要借助于光子能量較高的光源進(jìn)行抽運,而且要求參與激光工作的能級超過兩個。首先必須通過抽運將電子激發(fā)到高于激光工作上能級的某個能級上,也就是說,抽運光的頻率要大于激光頻率。開發(fā)研制的光纖激光器主要采用摻雜稀土元素的光纖作為增益介質(zhì),當(dāng)采用合適的抽運源進(jìn)行抽運時,由于光纖激光器中光纖纖芯很細(xì),在抽運光的作用下光纖內(nèi)極易形成高功率密度,造成激光工作物質(zhì)的"粒子數(shù)反轉(zhuǎn)"。

光纖激光器的腔形可以有多種選擇。一種最常見的激光諧振腔-法布里一拍羅腔,它是將增益介質(zhì)置于兩片反射鐿之間構(gòu)成的。在光纖激光器中,腔鐿經(jīng)常對接禍合到光纖端面,以避免衍射損耗。該腔損耗非常小,然而,這種腔的調(diào)整較為困難,光纖端面或腔鐿稍微傾斜,就會使損耗急劇增加,允許的傾斜度小于1。這個問題可以通過將介質(zhì)膜直接鍍到摻雜光纖的研磨拋光端面上得到解決。由于介質(zhì)膜對光纖端面的缺陷極為敏感,而且抽運光也經(jīng)由同一腔鐿入射,所以當(dāng)抽運光經(jīng)過聚焦且功率較高時就會損壞介質(zhì)膜。

光纖激光器的關(guān)鍵技術(shù):(1)高功率半導(dǎo)體光纖禍合輸出模塊:穩(wěn)定,長壽命,小體積,無需復(fù)雜水冷系統(tǒng)的高功率半導(dǎo)體激光器光纖模塊的實現(xiàn);(2)光纖融合技術(shù):將多根多模光纖同有源光纖融合在一起,而將抽運光幾乎無損耗的傳入有源光纖內(nèi)包層中,這種光纖幾何熔接技術(shù)使得光纖模塊的輸出能量在百瓦量級,同時消除了半導(dǎo)體激光陣列集成模塊的散熱問題;(3)光纖光柵技術(shù):在光纖上制作反射型光纖光柵雙包層光纖激光器。在高功率情況下具有長時間穩(wěn)定性能的光纖光柵制作,對于實現(xiàn)簡便緊湊的高功率雙包層光纖激光器產(chǎn)品具有非常重要的意義。目前國內(nèi)從事光柵技術(shù)的研究單位正在開展此類的研究工作,而國際上對于光柵制作技術(shù)也相對比較成熟。如工GP的光纖激光器中的光柵可以滿足百瓦級的功率傳輸。摻鐿雙包層光纖激光器理論及實驗研究

2.3Yb+3的光譜特性

稀土元素之一的Yb+3離子,長期以來最重要的應(yīng)用只是作為敏化離子(也就是激光激活離子)與其他稀土元素離子共同摻雜,Yb+3離子吸收抽運光子的能量后,把能量傳遞給他受主離子,如E、H等,Yb+3離子并不直接發(fā)生能級躍遷產(chǎn)生激光,而僅僅作為一個能量傳遞工具。摻Y(jié)b+3光纖激光的特性和發(fā)展從八十年代中后期開始,Yb+3離子摻入石英或氟化物光纖中,作為一種激光介質(zhì)開始受到人們的重視,并取得了很多進(jìn)展。

yb+3離子在摻入石英等基質(zhì)材料后,其能級發(fā)生變化,從而其吸收和發(fā)射光譜也要發(fā)生很大變化。通常由于基質(zhì)材料中電場的非均勻分布的影響引起Yb+3能級的stkar分裂,消除了原來存在的能級簡并,從而相應(yīng)的吸收和發(fā)射光譜將出現(xiàn)精細(xì)結(jié)構(gòu)。另外一個因素就是Yb+3能級加寬。第一種是聲子加寬,當(dāng)兩個能級之間發(fā)生躍遷時將發(fā)生某種形式的能量交換,包括聲子的產(chǎn)生和湮滅。第二種加寬機制來源于基質(zhì)電場對能級的微擾,摻Y(jié)b+3材料只包含有兩個多重態(tài),基態(tài)2F7幾(含有4個Stark能級)和一個分離的激發(fā)多重態(tài)"FS/:(含有3個Stark能級,在基態(tài)以上10000c/m的位置),因此抽運光波長處和信號波長處都不存在激發(fā)態(tài)吸收(由此因起抽運效率降低);大的能級間隔(2F5/:和2F72/)也阻礙了多光子非輻射弛豫及濃度淬滅現(xiàn)象的發(fā)生。上面幾種因素引起的抽運轉(zhuǎn)換效率的降低也會引起激光介質(zhì)熱效應(yīng)增加的問題(Yb+3:AYG的熱效應(yīng)比Nb3+:YAG小三倍)。摻Y(jié)b+3石英光纖的吸收和發(fā)射譜帶很寬。

20 世紀(jì) 80 年代中期，光通信迅猛發(fā)展、光纖制造工藝以及半導(dǎo)體激光器生產(chǎn)技術(shù)日益成熟。特別是在 S.B.Poole 等人用改進(jìn)的化學(xué)汽相沉積法制成了低損耗的摻鉺光纖后，摻雜光纖放大器和激光進(jìn)入了一個快速發(fā)展的階段。與其他摻雜光纖相比，摻鐿光纖能級結(jié)構(gòu)簡單，不存在對泵浦光或信號光的激發(fā)態(tài)吸收，轉(zhuǎn)換效率高，不存在濃度淬滅;且有較寬的吸收光譜和輻射光譜。因此摻鐿光纖放大器/激光器具有獨特的優(yōu)勢。但當(dāng)時采用的摻雜稀土光纖是由纖芯和單一包層構(gòu)成，要求泵浦光必須直接耦合進(jìn)直徑僅僅為幾微米的單模纖芯中，所以對泵浦源的激光模式要求很高，且耦合效率很低。所以傳統(tǒng)的摻稀土元素的光纖激光器與放大器被認(rèn)為只能是一種低功率的光子器件。

80 年代末，美國寶麗來提出了以雙包層光纖為基礎(chǔ)的包層泵浦技術(shù)，改變了光纖放大器只能作為一種小功率光子器件的歷史，為瓦級甚至更高功率的光纖放大器的實現(xiàn)提供了堅實的基礎(chǔ)。雙包層光纖的研制成功以及包層泵浦技術(shù)的運用打破了光纖激光器/放大器輸出功率低的"瓶頸"，成為制作高功率光纖激光器與放大器的首選。

1999 年 Lew Goldberg 等人采用"V"形槽耦合泵浦技術(shù)在 1060nm 處將100mW 的種子光放大到 4W 輸出;放大系統(tǒng)小信號增益為 53dB。2003 年Dennis Hammons 等人利用 NGST(Northrop Grumman Space Technology)技術(shù)獲得了單模以及近線偏的 150W 激光輸出。德國 Jena 大學(xué) A. Liem 等人，以纖芯直徑 23μm 的大模場面積雙包層摻鐿光纖為增益光纖，利用注入種子光的功率放大結(jié)構(gòu)，實現(xiàn)了波長 1064nm、線寬 1kHz、功率 118W 的激光輸出，相對注入抽運光功率的斜率效率達(dá) 70%。2005 年 Adrian Carter 等人利用與 20/400 雙包層大模面積(LMA)摻鐿光纖相匹配的(6+1)*1 合束器實現(xiàn)了 200W 單頻放大輸出的全光纖化。2006 年南開大學(xué)郭占城等人利用 Nufern 生產(chǎn)的長度約為11m 的大模面積(LMA)摻鐿雙包層光纖(其芯徑 20μm ,數(shù)值孔徑為 0.06)，將 16mW 的種子光放大到 1.61W，放大后的 3dB 線寬為 0.027nm，保持了輸入信號光的優(yōu)良光譜特性。實驗中為了消除端面的菲涅爾反射，LMA 光纖的兩端磨制了約 13°的傾角。

2006 年 Albert seifert 報道了一種波長為 1014.8nm 的窄線寬，毫瓦級的雙包層摻鐿光纖放大器。種子源經(jīng)過一個隔離器和二向色鐿后，有65mw的功率被耦合到6.2米的摻鐿雙包層光纖。D 型內(nèi)包層的數(shù)值孔徑隨溫度變化，室溫下為 0.35，液氮中為 0.22。光纖端面拋8 度角，第一級放大器輸出經(jīng)過一個窄的帶通濾波器以減小 ASE，然后耦合到第二級的冷卻的鐿纖。第一級的最大輸出功率為 2.8W,且信噪比達(dá)到 30dB。為達(dá)到更高的輸出功率，將第一級功率為 1.7W 的輸出作第二級放大，得到了 5W 的輸出功率，且仍有很高的信噪比。

普通光纖激光器由于其結(jié)構(gòu)緊湊、波長可調(diào)諧、散熱性好和高的轉(zhuǎn)換效率受到人們的青睞;包層泵浦技術(shù)又突破了普通光纖輸出功率上的制約;Yb3+具有簡單的能級結(jié)構(gòu)、寬的吸收帶和大的發(fā)射截面，便于泵浦和獲得高的轉(zhuǎn)化效率。因此摻鐿雙包層光纖激光器除具有普通光纖激光器的優(yōu)點之外，又可在高功率條件下運作，成為發(fā)展高功率激光器的重要候選?，F(xiàn)在報道的單個光纖激光器輸出功率已超過 kW，完全可以和在高功率條件下使用的傳統(tǒng)的固體激光器媲美。摻鐿雙包層光纖激光器作為固體激光器家族中的一員，具有以下優(yōu)異的性能:

1) 高功率。一個多模泵浦二極管模塊組可輻射出 100W 的光功率，多個多模泵浦二極管并行設(shè)置，可允許設(shè)計出很高功率輸出的光纖激光器;

2) 模式質(zhì)量好。通過設(shè)計大纖芯和小的數(shù)值孔徑，光纖中只有幾個模式;無需熱電冷卻器。這種大功率的寬面多模二極管可在很高的溫度下工作，只須簡單的風(fēng)冷，成本低;

3) 很寬的泵浦波長范圍。包層光纖纖芯中摻雜了鐿元素，有一個很寬的光吸收區(qū)(900-1100nm)，所以泵浦二極管不需任何類型的波長穩(wěn)定裝置;

4) 效率高。泵浦光多次橫穿過光纖纖芯，因此其利用率高;

5) 高可靠性。多模泵浦二極管比起單模泵浦二極管來其穩(wěn)定性要高出很多。其幾何上的寬面就使得激器的斷面上的光功率密度很低且通過活性面的電流密度亦很低。這樣一來，泵浦二極管其可靠運轉(zhuǎn)壽命超過 100 萬小時。

摻鐿雙包層光纖激光器用于激光束的相干合成

激光束相干合成技術(shù)作為實現(xiàn)高功率激光輸出的重要途徑，在過去的 20 多年里人們已經(jīng)在這一領(lǐng)域里進(jìn)行了大量的研究，相干陣列中所用的激光器多集中在固體、半導(dǎo)體和光纖激光器。這種技術(shù)是將許多中等功率輸出的激光器組成的陣列實現(xiàn)同相輸出，實現(xiàn)大功率的同時保持優(yōu)良的光束質(zhì)量。而摻鐿雙包層光纖激光器具有的如結(jié)構(gòu)緊湊易于組束、模式質(zhì)量好等優(yōu)勢使它成為實現(xiàn)激光束相干合成的不二之選。