連續(xù)波摻鐿雙包層光纖激光器簡(jiǎn)介

激光的產(chǎn)生是一個(gè)放大的過(guò)程。在這個(gè)過(guò)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(qiáng)。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(duì)于激光波長(zhǎng),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(shí)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(gè)條件是粒子數(shù)反轉(zhuǎn)。僅當(dāng)處于激光上能級(jí)的粒子數(shù)超過(guò)處于激光下能級(jí)的粒子數(shù)時(shí)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(shí)也引出了第二個(gè)條件,即粒子數(shù)反轉(zhuǎn)形成的過(guò)程要借助于光子能量較高的光源進(jìn)行抽運(yùn),而且要求參與激光工作的能級(jí)超過(guò)兩個(gè)。首先必須通過(guò)抽運(yùn)將電子激發(fā)到高于激光工作上能級(jí)的某個(gè)能級(jí)上,也就是說(shuō),抽運(yùn)光的頻率要大于激光頻率。開(kāi)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(yùn)源進(jìn)行抽運(yùn)時(shí),由于光纖激光器中光纖纖芯很細(xì),在抽運(yùn)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(jiàn)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(duì)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(huì)使損耗急劇增加,允許的傾斜度小于1。這個(gè)問(wèn)題可以通過(guò)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(duì)光纖端面的缺陷極為敏感,而且抽運(yùn)光也經(jīng)由同一腔鐿入射,所以當(dāng)抽運(yùn)光經(jīng)過(guò)聚焦且功率較高時(shí)就會(huì)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(zhǎng)壽命,小體積,無(wú)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(shí)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(yùn)光幾乎無(wú)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(jí),同時(shí)消除了半導(dǎo)體激光陣列集成模塊的散熱問(wèn)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(zhǎng)時(shí)間穩(wěn)定性能的光纖光柵制作,對(duì)于實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)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(guó)內(nèi)從事光柵技術(shù)的研究單位正在開(kāi)展此類的研究工作,而國(guó)際上對(duì)于光柵制作技術(shù)也相對(duì)比較成熟。如工GP的光纖激光器中的光柵可以滿足百瓦級(jí)的功率傳輸。摻鐿雙包層光纖激光器理論及實(shí)驗(yàn)研究

2.3Yb+3的光譜特性

稀土元素之一的Yb+3離子,長(zhǎng)期以來(lái)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(yùn)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(jí)躍遷產(chǎn)生激光,而僅僅作為一個(gè)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(kāi)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(kāi)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(jí)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(chǎng)的非均勻分布的影響引起Yb+3能級(jí)的stkar分裂,消除了原來(lái)存在的能級(jí)簡(jiǎn)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(gè)因素就是Yb+3能級(jí)加寬。第一種是聲子加寬,當(dāng)兩個(gè)能級(jí)之間發(fā)生躍遷時(shí)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(jī)制來(lái)源于基質(zhì)電場(chǎng)對(duì)能級(jí)的微擾,摻Y(jié)b+3材料只包含有兩個(gè)多重態(tài),基態(tài)2F7幾(含有4個(gè)Stark能級(jí))和一個(gè)分離的激發(fā)多重態(tài)"FS/:(含有3個(gè)Stark能級(jí),在基態(tài)以上10000c/m的位置),因此抽運(yùn)光波長(zhǎng)處和信號(hào)波長(zhǎng)處都不存在激發(fā)態(tài)吸收(由此因起抽運(yùn)效率降低);大的能級(jí)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(yùn)轉(zhuǎn)換效率的降低也會(huì)引起激光介質(zhì)熱效應(yīng)增加的問(wèn)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(gè)快速發(fā)展的階段。與其他摻雜光纖相比，摻鐿光纖能級(jí)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，不存在對(duì)泵浦光或信號(hào)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(dú)特的優(yōu)勢(shì)。但當(dāng)時(shí)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(duì)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(guó)寶麗來(lái)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(jí)甚至更高功率的光纖放大器的實(shí)現(xiàn)提供了堅(jiān)實(shí)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(yùn)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(hào)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(guó) Jena 大學(xué) A. Liem 等人，以纖芯直徑 23μm 的大模場(chǎng)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(shí)現(xiàn)了波長(zhǎng) 1064nm、線寬 1kHz、功率 118W 的激光輸出，相對(duì)注入抽運(yùn)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(shí)現(xiàn)了 200W 單頻放大輸出的全光纖化。2006 年南開(kāi)大學(xué)郭占城等人利用 Nufern 生產(chǎn)的長(zhǎng)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(hào)光的優(yōu)良光譜特性。實(shí)驗(yàn)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(bào)道了一種波長(zhǎng)為 1014.8nm 的窄線寬，毫瓦級(jí)的雙包層摻鐿光纖放大器。種子源經(jīng)過(guò)一個(gè)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(jí)放大器輸出經(jīng)過(guò)一個(gè)窄的帶通濾波器以減小 ASE，然后耦合到第二級(jí)的冷卻的鐿纖。第一級(jí)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(jí)功率為 1.7W 的輸出作第二級(jí)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(zhǎng)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(jiǎn)單的能級(jí)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(diǎn)之外，又可在高功率條件下運(yùn)作，成為發(fā)展高功率激光器的重要候選?，F(xiàn)在報(bào)道的單個(gè)光纖激光器輸出功率已超過(guò) 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(gè)多模泵浦二極管模塊組可輻射出 100W 的光功率，多個(gè)多模泵浦二極管并行設(shè)置，可允許設(shè)計(jì)出很高功率輸出的光纖激光器;

2) 模式質(zhì)量好。通過(guò)設(shè)計(jì)大纖芯和小的數(shù)值孔徑，光纖中只有幾個(gè)模式;無(wú)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(jiǎn)單的風(fēng)冷，成本低;

3) 很寬的泵浦波長(zhǎng)范圍。包層光纖纖芯中摻雜了鐿元素，有一個(gè)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(zhǎng)穩(wěn)定裝置;

4) 效率高。泵浦光多次橫穿過(guò)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(lái)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(guò)活性面的電流密度亦很低。這樣一來(lái)，泵浦二極管其可靠運(yùn)轉(zhuǎn)壽命超過(guò) 100 萬(wàn)小時(shí)。

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(shí)現(xiàn)高功率激光輸出的重要途徑，在過(guò)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(shí)現(xiàn)同相輸出，實(shí)現(xiàn)大功率的同時(shí)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(shì)使它成為實(shí)現(xiàn)激光束相干合成的不二之選。