脈衝雙包層光纖雷射器是一種新型雷射器,和普通的固體雷射器相比,雙包層光纖雷射器具有很高的“表面積/體積”比,散熱效果好,具有很高的轉換效率和很低的閡值。
基本介紹
- 中文名：脈衝雙包層光纖雷射器
- 外文名：pulseddouble -clad fiber amplifier
1雙包層光纖,2概述,3國內外研究進展,
1雙包層光纖
雙包層光纖有纖芯、內包層、外包層、保護層四部分組成，纖芯由摻稀土元素的SiO2 構成，它作為雷射振盪的通道。對相關波長為單模；內包層由橫向尺寸和數值孔徑比纖芯大得多，折射率比纖芯小的SiO2構成，使泵浦光通道，對泵浦光波長使多模；外包層由折射率比內包層小的材料構成；保護層由硬塑膠包圍起保護光纖的作用。泵浦光進入尺寸較大的內包層，在其中作內反射並多次穿越纖芯被摻雜離子吸收。由於內包層的折射率大於纖芯，可保證雷射振盪在單模纖芯中，使輸出的雷射模式好，光束質量高。通過合理設計內包層的形狀和材料，可使耦合進的泵浦光高效的被纖芯吸收，從而可選用大功率的多模雷射二極體陣列作泵浦，保證了在輸出光束質量近衍射極限的情況下，仍能獲得高功率雷射。為了高功率運轉，內包層的尺寸應儘可能的大（一般大於 100μm），同時還應保持大的數值孔徑，這樣能提高收集泵浦光的能力。
雙包層光纖的內包層數值孔徑和橫截面積是影響泵浦光耦合效率的主要因素，為獲得高功率輸出，內包層的數值孔徑應足夠高，橫截面積和纖芯的比值應足夠大。最早提出和實現的是圓形內包層，它有很多優點：不需要對預製棒做光學機械加工而使工藝更簡單；當泵浦源為帶尾纖的 LD 時，圓形石英包層之間的尺寸匹配易於耦合連線，但也有很明顯的缺點：完美的圓形對稱性使內包層內大量的泵浦光成為螺旋光，在傳輸的過程中永遠也不會到達纖芯，因而不可能有高的泵浦效率。為了克服這個缺陷，矩形，正方形，D 形，梅花形等形狀的內包層也已經出現。實驗表明，這些內包層形狀的光纖相對於圓形內包層形狀對泵浦光的吸收效率有了很大提高，D 形內包層的吸收效率可以達到 80%以上。在理論上矩形內包層可以達到 100%的吸收，但由於控制工藝的問題，只能達到 90%以上的吸收效率，又由於矩形內包層光纖的曲率對吸收效率的影響非常小，所以目前套用最多的是矩形內包層的雙包層光纖。在雙包層光纖的發展歷史上，Snitzer 等人率先提出並設計了原型內包層的雙包層光纖，沒過 Polarid 研製出了矩形內包層的摻 Yb 雙包層光纖，德國也研製出了內包層為 D 形的摻 Yb 雙包層光纖。在國內，中科院上海光機所也在致力於矩形內包層的雙包層光纖的研製工作，已有成果出現。
2概述
在某些雷射套用中，往往要求雷射具有很高的能量(或功率)，如雷射慣性約束聚變(ICF)至少需要上萬焦耳的能量，雷射雷達需要大功率的調製雷射。但欲獲得高能量雷射，僅靠雷射器來實現存在諸多困難，這是因為提高雷射器的輸出功率與其他指標(如單色性、脈寬、調製性能、光束髮散角等)要求是相矛盾的。利用調Q 或鎖模技術，可以獲得極高的峰值功率(109~1012 W)。其峰值之所以大得驚人，是由於把能量壓縮在極短的時間內釋放出來的緣故。但是這種高峰值功率的雷射器實際上所輸出的能量往往並不一定很大。因此，採用種子源主振盪放大技術(MOPA)來實現大脈衝能量、高平均功率成為一種理想選擇。所謂種子源主振盪放大技術，就是採用高光束質量、小功率的固體或光纖雷射器為種子光源，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包層，從而實現對種子光源的高功率放大。
對於連續工作的光纖雷射器,光纖本身就是工作物質,一般採用結構簡單的F一P腔結構,這樣無需在腔內放置其它光學元件就可以獲得高功率的雷射輸出。但如果從套用目標出發時,連續工作的光纖雷射能提供的靶面功率密度較低,脈衝工作的光纖雷射或許更為有用。脈衝雙包層光纖雷射器是一種新型雷射器,和普通的固體雷射器相比,雙包層光纖雷射器具有很高的“表面積/體積”比,散熱效果好,具有很高的轉換效率和很低的閡值。
雙包層結構使泵浦光有較大的可入射面積,當光沿纖芯傳播時,泵浦摻雜纖芯將產生亮度很高,而且光束質量接近衍射極限的雷射輸出。雙包層光纖雷射器在產生高平均功率脈衝雷射方面有相當大的潛力,它們可以成為替代某些調Q或鎖模雷射器的另一種高效多用途雷射器。在所有的摻雜光纖中,摻Yb光纖的優點最為突出,摻Yb石英材料具有優良的儲能性能(32)/cm“的飽和能量,870那上能級壽命),很寬的增益譜(975、1200nm),在LD的泵浦下,摻Yb光纖可以產生雷射,還可以用來放大雷射脈衝以提供高功率脈衝。
脈衝雙包層光纖雷射器有調Q雙包層光纖雷射器、鎖模雙包層光纖雷射器和種子源主振盪放大光纖雷射器三種,其中調Q雙包層光纖雷射器主要採用在連續雙包層光纖雷射器內加聲光或電光調Q晶體實現,與常規調Q光纖雷射器相比,可將峰值功率提高一個數量級,不過脈衝能量和平均功率普遍較小,而且脈衝能量受光纖端面閉值的限制。鎖模光纖雷射器主要是採用光柵和偏振控制器實現被動鎖模,套用於通訊領域,而且脈寬相對穩定,平均功率較低。種子源振盪放大光纖雷射器主要是把種子光源藕合進入雙包層光纖的纖芯,在光纖同端或異端以大功率LD泵浦,就能得到的單脈衝能量較高、平均輸出功率較大、調諧範圍廣、光束質量好的雷射光束。隨著研製方案的進一步最佳化,有可能實現更大單脈衝能量和更高光束質量的脈衝輸出,是一種比較理想的脈衝輸出雷射器,能廣泛套用在雷射精密打孔、打標、金屬切割和深度焊接及國防軍事領域。
3國內外研究進展
作為光電信息領域較前沿的方向之一，脈衝雙包層光纖放大器日益成為國際上研究的熱點。在通訊、醫學、工業加工、生物學等領域有很大的套用價值。國外主要有英國的南安普頓大學光電研究中心、德國耶拿大學套用物理研究所、美國密西根州大學和美國的IPG等對此進行了相關研究。在國內，脈衝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、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對MOPA方式的脈衝光纖放大器進行了理論和實驗研究，並取得了重要進展。
脈衝雙包層光纖雷射器成為國際上研究的熱點,在此方面的研究上比較著名的主要有英國的SouthamtPon大學光電研究中心、德國eJan研究所、法國的以iHdeur為首的研究組和美國的IPG等。在“00年,英國SouhtamtPon光電研究中心的lAvareZ一Chvaez採用在包層泵浦雙包層光舒雷射器中加入聲光調製器來獲得SW平均功率的調Q脈衝輸出,2001年,德國Jena的Hofer以單頻環形碟片雷射器作為種子光源,通過摻Yb雙包層光纖進行放大,得到20W平均功率輸出,光束質量接近衍射極限。隨後,iLmePrt同樣採用種子光振盪放大,用兩個LD在摻Yb大芯徑雙包層光纖雙端泵浦,種子光源為皮秒N:dYvO雷射器,得到sl.Zw的放大輸出,重複頻率為80MHz。2002年,iLmpert採用納秒調QN:dYAG種子源,25m長的大模面積光纖,種子光和泵浦光分別在光纖兩端進入,放大光用雙色片分出,得到10W平均功率(重複頻率為50kH)z的衍射極限光束質量的放大輸出。2003年9月,iLem採用單頻1064nm微片雷射器作為種子光源,得到108W單頻放大輸出,光束質量M“為1.1。
在國內,脈衝雙包層光纖雷射器的研究剛剛起步,南開大學主要進行調Q和鎖模雷射器的研究,但平均功率都比較小,上海光機所在中科院知識創新工程和上海市光科技項目的資助下,已開展了脈衝雙包層光纖雷射器的研究,採用種子光源主振盪放大方案來獲得高功率脈衝雷射輸出,目的是開拓脈衝雙包層光纖雷射器在雷射打標、雷射加工和軍事上的套用。
2002年，德國LimpertJ等報導了利用MOPA技術獲得納秒脈衝的方法。以調QNd:YAG薄片雷射器作種子源，平均功率為6W，重複頻率3~50kHz，脈衝寬度70~300ns，最大單脈衝能量0.6mJ。所用光纖是長25m的大模場面積(LMA)光纖，纖芯直徑30mm，NA0.06；內包層為D型，直徑400mm，NA0.38。抽運源為中心波長976nm的半導體雷射器(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包層，種子光從另一端耦合進入雙包層光纖的纖芯。採用上述方法，在1064nm處實現了最大平均功率100W的雷射輸出，光原光轉換效率為71%，重複頻率50kHz，單脈衝能量2mJ，脈衝寬度80ns，脈衝占空比為4伊10-3。重複頻率為3kHz時，單脈衝能量4mJ，脈寬壓縮為50ns。2005年4月，上海光機所以4m長的國產高摻雜濃度摻Yb3+雙包層光纖(纖芯43mm，NA0.08；D形內包層650mm/600mm，NA0.38，Yb3+摻雜濃度為0.65%)作為放大介質，以調Q脈衝雷射器作為種子源(最大輸出平均功率為1W，頻率20耀100kHz可調，波長在1064nm)，在種子光功率為1W左右時，獲得高功率放大脈衝雷射輸出[4]。實驗裝置如圖2所示。在重複頻率為100kHz時，測得放大脈衝雷射的平均功率最高達133.8W，脈衝寬度400ns，脈衝占空比為4伊10-2，斜率效率為56%，光原光轉換效率53%。重複頻率在20耀100kHz可調，在60kHz重複頻率時，典型的脈衝寬度為30ns。
2005年，美國密西根州大學以單模LD為種子光源，採用多級光纖放大的方式，獲得了高脈衝能量的光纖雷射輸出。重複頻率小於100Hz，脈寬500ns時的脈衝能量高達82mJ，脈衝占空比為5伊10-5；脈寬50ns時，脈衝能量為27mJ(對應的重複頻率為25Hz)；脈寬4ns時，脈衝能量為9.6mJ。前兩級為常規單模光纖放大，第三級為預放，採用大模場直徑的多模光纖(纖芯50mm，NA0.06；六角形內包層350mm，NA0.45)，1064nm的小信號增益達27dB。最後一級功率放大所用的是粗芯雙包層光纖，纖芯直徑達200mm(但摻雜直徑為100mm)，NA0.062，內包層為八角形，尺寸600mm，NA0.46，光纖長度為3.5m。除納秒級脈衝光纖放大器外，國內外研究機構也對皮秒級脈衝光纖放大器的研製做了有益探索，並取得了突破性進展。2006年，英國南安普頓大學光電研究中心以增益可調的單縱模LD為種子源，採用四級光纖放大方式，在1064nm處獲得了平均功率超過300W的脈衝雷射輸出，脈寬20ps，脈衝占空比為2伊10-2，M2為2.4。這是迄今為止國內外報導的功率最高的皮秒級脈衝光纖放大器。種子源為增益可調的單縱模LD，重複頻率為1GHz，能產生波長1060nm，脈寬為56ps的脈衝。種子源由一個連續分布反饋式(DFB)光纖雷射器驅動，使之維持單縱模運轉。
通過一個啁啾光纖布拉格光柵(CFBG)，脈寬被壓縮為20ps。前三級為常規單模光纖預放，最後一級功率放大所用的是粗芯雙包層光纖，纖芯直徑43mm，NA0.09，內包層為D形，尺寸650mm/600mm，光纖長度為8m。光纖兩端都磨拋成10毅的傾斜角，以抑制放大的自發輻射(ASE)。同國外報導結果相比，我國的脈衝光纖雷射研究同國際水平已經接近，在某些技術指標上已經居於領先水平；但在最高峰值功率方面還有較大差別。尤其在低重複頻率的脈衝雷射實驗中，由於他們採用了200mm纖芯的放大光纖，纖芯面積增大，雷射損傷閾值提高，因而可承受和提供更高的峰值雷射功率。但在重複頻率相近的高重頻方面，國內的峰值功率水平和國外相差不大。
