雙包層光纖激光器發(fā)展趨勢(shì)

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(lèi)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。