摻鐿雙包層光纖放大器

摻鐿光纖的特點主要決定於鐿離子的特點，摻鐿光纖能級結構簡單，不存在對泵浦光或信號光的激發態吸收，轉換效率高，不存在濃度淬滅。雙包層光纖的研製成功以及包層泵浦技術的運用打破了光纖雷射器/放大器輸出功率低的“瓶頸”，成為製作高功率光纖雷射器與放大器的首選

基本介紹

• 中文名：摻鐿雙包層光纖放大器

1摻鐿雙包層光纖放大器

20 世紀 80 年代中期，光通信迅猛發展、光纖製造工藝以及半導體雷射器生產技術日益成熟。特別是在 S.B.Poole 等人用改進的化學汽相沉積法製成了低損耗的摻鉺光纖後，摻雜光纖放大器和雷射進入了一個快速發展的階段。與其他摻雜光纖相比，摻鐿光纖能級結構簡單，不存在對泵浦光或信號光的激發態吸收，轉換效率高，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/雷射器具有獨特的優勢。但當時採用的摻雜稀土光纖是由纖芯和單一包層構成，要求泵浦光必須直接耦合進直徑僅僅為幾微米的單模纖芯中，所以對泵浦源的雷射模式要求很高，且耦合效率很低。所以傳統的摻稀土元素的光纖雷射器與放大器被認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的包層泵浦技術，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提供了堅實的基礎。雙包層光纖的研製成功以及包層泵浦技術的運用打破了光纖雷射器/放大器輸出功率低的“瓶頸”，成為製作高功率光纖雷射器與放大器的首選。

1999 年 Lew Goldberg 等人採用“V”形槽耦合泵浦技術在 1060nm 處將100mW 的種子光放大到 4W 輸出；放大系統小信號增益為 53dB。2003 年Dennis Hammons 等人利用 NGST(Northrop Grumman Space Technology)技術獲得了單模以及近線偏的 150W 雷射輸出。德國 Jena 大學 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構，實現了波長 1064nm、線寬 1kHz、功率 118W 的雷射輸出，相對注入抽運光功率的斜率效率達 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 合束器實現了 200W 單頻放大輸出的全光纖化。2006 年南開大學郭占城等人利用 Nufern 生產的長度約為11m 的大模面積（LMA）摻鐿雙包層光纖（其芯徑 20μm ,數值孔徑為 0.06），將 16mW 的種子光放大到 1.61W，放大後的 3dB 線寬為 0.027nm，保持了輸入信號光的優良光譜特性。實驗中為了消除端面的菲涅爾反射，LMA 光纖的兩端磨製了約 13°的傾角。

2006 年 Albert seifert 報導了一種波長為 1014.8nm 的窄線寬，毫瓦級的雙包層摻鐿光纖放大器。種子源經過一個隔離器和二向色鐿後，有65mw的功率被耦合到6.2米的摻鐿雙包層光纖。D 型內包層的數值孔徑隨溫度變化，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過一個窄的帶通濾波器以減小 ASE，然後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,且信噪比達到 30dB。為達到更高的輸出功率，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。

2脈衝雙包層摻鐿光纖放大器的研究進展

隨著大模場面積摻雜雙包層光纖和大功率半導體雷射器（LD）的技術成熟，脈衝光纖放大器的研究也獲得了飛速發展，脈衝峰值功率越來越高。脈衝光纖放大器由於具有高光束質量、便於熱管理、光纖輸出、結構緊湊等優勢，正廣泛運用於軍事，精密加工、醫療、太空通信等多個領域。窄脈寬、高功率、高光束質量的的脈衝光纖放大器已成為研究的重點。

04 年，英國的 Southampton 大學的 A.malinowski 等人報導了一種全光纖放大系統，以摻鐿光纖雷射器為種子源，用兩級摻鐿雙包層光纖放大器進行放大，最後用光柵對壓縮，在 62MHz 時獲得了 110fs，400nJ 的脈衝。 2005 年，美國的 F.D.Teodoro 和 C.D.Brooks 以調 Q 的 Nd:LSB 微片雷射器為種子源，通過雙包層摻鐿光纖和光子晶體光纖放大，圖 1.3 為實驗結構圖，在10kHz 時，獲得了 1ns，1mJ 的脈衝。

2006 年 6 月，英國南安普頓大學的 J.Kim 等人利用 W 型纖芯結構的雙包層光纖進行放大，實現了 53W，103ps 的脈衝輸出。

2007 年 A. Galvanauskas 又將 1~10ns 脈寬的種子脈衝信號經雙級單模前置放大後，級聯兩級 LMA 摻鐿光纖放大器，獲得了 M約為 1.3，峰值功率超過 5MW的脈衝輸出。

國內一些單位也開展了脈衝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、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 Q 雷射器做種子源，用雙包層摻鐿光纖作為增益介質，在 20kHz 時放大到了 0.3mJ 的脈衝能量。 2005 年，清華大學的葉昌庚等人報導了一種脈衝泵浦的摻鐿光纖放大系統。以調 Q 的 Nd：YAG 微片雷射器為種子源，以摻鐿雙包層光纖為增益介質，在 200Hz時，最大得到了 138.2μJ 的單脈衝能量，其脈衝寬度為 0.83ns。

綜上所述，國內外脈衝高功率光纖放大器的實驗研究主要採用的還是分立元器件設計，不利於提高雷射器的穩定性。本文中將採用 MOPA 結構設計全光纖脈衝放大結構，實現了平均功率 2W、重複頻率 50KHz、脈衝寬度為 20ns 的窄脈衝雷射輸出。

3優異特性

普通光纖雷射器由於其結構緊湊、波長可調諧、散熱性好和高的轉換效率受到人們的青睞；包層泵浦技術又突破了普通光纖輸出功率上的制約；Yb3+具有簡單的能級結構、寬的吸收帶和大的發射截面，便於泵浦和獲得高的轉化效率。因此摻鐿雙包層光纖雷射器除具有普通光纖雷射器的優點之外，又可在高功率條件下運作，成為發展高功率雷射器的重要候選。現在報導的單個光纖雷射器輸出功率已超過 kW，完全可以和在高功率條件下使用的傳統的固體雷射器媲美。摻鐿雙包層光纖雷射器作為固體雷射器家族中的一員，具有以下優異的性能：

1) 高功率。一個多模泵浦二極體模組組可輻射出 100W 的光功率，多個多模泵浦二極體並行設定，可允許設計出很高功率輸出的光纖雷射器；

2) 模式質量好。通過設計大纖芯和小的數值孔徑，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體可在很高的溫度下工作，只須簡單的風冷，成本低；

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

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。多模泵浦二極體比起單模泵浦二極體來其穩定性要高出很多。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，泵浦二極體其可靠運轉壽命超過 100 萬小時。

摻鐿雙包層光纖雷射器用於雷射束的相干合成

雷射束相干合成技術作為實現高功率雷射輸出的重要途徑，在過去的 20 多年裡人們已經在這一領域裡進行了大量的研究，相干陣列中所用的雷射器多集中在固體、半導體和光纖雷射器。這種技術是將許多中等功率輸出的雷射器組成的陣列實現同相輸出，實現大功率的同時保持優良的光束質量。而摻鐿雙包層光纖雷射器具有的如結構緊湊易於組束、模式質量好等優勢使它成為實現雷射束相干合成的不二之選。

4摻鐿雙包層光纖雷射器基本理論

光纖雷射器工作原理

雷射的產生是一個放大的過程。在這個過程中受激發射所占的比例遠大於自發輻射。當增益存在的條件下,受激發射所產生的光子繼續誘發受激發射,使受激發射光不斷增強。當然最初誘發受激發射的光子源於自發發射。對於雷射波長,流出光纖雷射介質的光子流要大於進入這段光纖的光子流,即實現了光放大。

為了能產生雷射,必須滿足一定的條件。第一個條件是粒子數反轉。僅當處於雷射上能級的粒子數超過處於雷射下能級的粒子數時才能使介質發生受激發射,從而產生增益。粒子數反轉的要求同時也引出了第二個條件,即粒子數反轉形成的過程要藉助於光子能量較高的光源進行抽運,而且要求參與雷射工作的能級超過兩個。首先必須通過抽運將電子激發到高於雷射工作上能級的某個能級上,也就是說,抽運光的頻率要大於雷射頻率。開發研製的光纖雷射器主要採用摻雜稀土元素的光纖作為增益介質,當採用合適的抽運源進行抽運時,由於光纖雷射器中光纖纖芯很細,在抽運光的作用下光纖內極易形成高功率密度,造成雷射工作物質的“粒子數反轉”。

光纖雷射器的腔形可以有多種選擇。一種最常見的雷射諧振腔—法布里一拍羅腔,它是將增益介質置於兩片反射鐿之間構成的。在光纖雷射器中,腔鐿經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,允許的傾斜度小於1。這個問題可以通過將介質膜直接鍍到摻雜光纖的研磨拋光端面上得到解決。由於介質膜對光纖端面的缺陷極為敏感,而且抽運光也經由同一腔鐿入射,所以當抽運光經過聚焦且功率較高時就會損壞介質膜。

雙包層光纖雷射器的關鍵技術分析

光纖雷射器的關鍵技術:(1)高功率半導體光纖禍合輸出模組:穩定,長壽命,小體積,無需複雜水冷系統的高功率半導體雷射器光纖模組的實現;(2)光纖融合技術: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包層中,這種光纖幾何熔接技術使得光纖模組的輸出能量在百瓦量級,同時消除了半導體雷射陣列集成模組的散熱問題;(3)光纖光柵技術:在光纖上製作反射型光纖光柵雙包層光纖雷射器。在高功率情況下具有長時間穩定性能的光纖光柵製作,對於實現簡便緊湊的高功率雙包層光纖雷射器產品具有非常重要的意義。目前國內從事光柵技術的研究單位正在開展此類的研究工作,而國際上對於光柵製作技術也相對比較成熟。如工GP的光纖雷射器中的光柵可以滿足百瓦級的功率傳輸。摻鐿雙包層光纖雷射器理論及實驗研究

2.3Yb+3的光譜特性

稀土元素之一的Yb+3離子,長期以來最重要的套用只是作為敏化離子(也就是雷射激活離子)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後,把能量傳遞給他受主離子,如E、H等,Yb+3離子並不直接發生能級躍遷產生雷射,而僅僅作為一個能量傳遞工具。摻Yb+3光纖雷射的特性和發展從八十年代中後期開始,Yb+3離子摻入石英或氟化物光纖中,作為一種雷射介質開始受到人們的重視,並取得了很多進展。

yb+3離子在摻入石英等基質材料後,其能級發生變化,從而其吸收和發射光譜也要發生很大變化。通常由於基質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併,從而相應的吸收和發射光譜將出現精細結構。另外一個因素就是Yb+3能級加寬。第一種是聲子加寬,當兩個能級之間發生躍遷時將發生某種形式的能量交換,包括聲子的產生和湮滅。第二種加寬機制來源於基質電場對能級的微擾,摻Yb+3材料只包含有兩個多重態,基態2F7幾(含有4個Stark能級)和一個分離的激發多重態“FS/:(含有3個Stark能級,在基態以上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態吸收(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象的發生。上面幾種因素引起的抽運轉換效率的降低也會引起雷射介質熱效應增加的問題(Yb+3:AYG的熱效應比Nb3+:YAG小三倍)。摻Yb+3石英光纖的吸收和發射譜帶很寬。