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针对半导体抽运的掺镱光纤激光器功率进一步提升面临的主要问题,分析了级联抽运方案在实现更高功率输出方面的优势和不足。简要回顾了光纤级联抽运技术的发展历程,重点介绍了掺镱光纤激光级联抽运的关键技术、研究现状和最新进展。针对级联抽运面临的抽运吸收和非线性效应问题,分析了下一步的研究方案和技术路线。并对级联抽运技术有望获得的新应用进行了简要介绍。
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第
卷
第
期
中
国
激
光
年
月
CHINESEJOURNALOFLASERS
Februar
y
高功率级联抽运掺镱光纤激光器研究进展
肖
虎
,
冷 进 勇
,
周
朴
,
张 汉 伟
,
许 将 明
,
吴
坚
,
刘 泽 金
国防科学技术大学光电科学与工程学院
湖南 长沙
摘要
针对半导体抽运的掺镱光纤激光器功率进一步提升面临的主要问题
分析了级 联抽 运方案 在实 现更高 功率
输出方面的优势和不足
简要回顾了光纤级联抽运技术的发展历程
重点介绍了掺 镱光 纤激光 级联 抽运的 关键 技
术
研究现状和最新进展
针对级联抽运面临的抽运吸 收和 非 线性 效应 问 题
分 析了 下一 步 的研 究方 案 和技 术路
线
并对级联抽运技术有望获得的新应用进行了简要介绍
关键词
激光器
高功率光纤激光器
级联抽运
功率提升
非线性效应
中图分类号
文献标识码
doi
:
.
/
CJL.
Hi
g
hPowerTandemGPum
p
edYbGDo
p
edFiberLaser
Colle
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f
O
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toelectronicScienceandEn
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NationalUniversit
y
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De
f
enseTechnolo
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Chan
g
sha Hunan
China
Abstract
Ke
y
words
OCIScodes
收稿日期
收到修改稿日期
基金项目
国家自然科学基金
教育部新世纪优秀人才支持计划
作者简介
肖
虎
男
博士
讲师
主要从事高功率光纤激光器方面的研究
通信联系人
引
言
光纤激光器是指以光纤为增益介质的激光器
在世界上第一台激光器诞生后不久
年
研究者便
尝试以掺杂稀土元素的光纤作为激光器 的 增益介质
通过在光 纤 中掺杂不 同 元素的离 子
如钕
镱
铒
铥
钬等
来获得相应波段的激光输出
但早期的光纤激光器并非全光纤结构
其抽运光需通过透镜系统
耦合入掺杂光纤中
由于存在空间光学元件
使得此时的光纤激光器在稳定性和可靠性方面相比固体激
光器并无明显优势
随着光纤耦合半导体激光器
的发展和光纤光栅
光纤合束器等器件研发工艺水平
的提高
光纤激光器的结构实现了全光纤化
全光纤化的光纤激光器结构更加紧凑
对工作环境中的振动等
干扰因素不敏感
大大提高了激光器运行的稳定性和可靠性
正是由于光纤激光器转 换效率高
结构紧凑
可靠性好
光束质量优良等优势
使其广泛应用于工业和国防等领域
近年来
工业和国防领域对激光器
输出功率的迫切需求推动了国内外大量研究机构对高功率光纤激光器的研究
11
高功率光纤激光器的发展
掺稀土离子光纤激光器通常以
为抽运源
光纤激光器 和
几乎出现在 同 一时间
但由于将 低 亮
中
国
激
光
度的半导体激光耦合入直径仅几个微米的纤芯中较为困难
因此光纤激光器在很长时间内 只能实现较 低功
率的激光输出
年
等
提出了基于双包层光纤的抽运 技术
改变了光纤 激光器输出 功率不高
的局面
双包层光纤结构上分为纤芯
内包层和外包层三部分
外包层折射率低于内包层
因此满足全反
射条件的抽运光可在内包层中传输
内包层的直 径和数值孔 径
NA
更大
便于高效率 地耦合进更 高 功率
的抽运光
包层抽运技术使光纤激光器输出功率实现了由毫瓦级到瓦量级的提升
年
等
首次
实现了掺镱光纤的包 层 抽 运
实 验 中 得 到 了 最 高 输 出 功 率 为
的
激 光
年
等
利用包层抽运实现了
的单模连续激光输出
使光纤激光器的输出功率突破了百瓦
但由于双包
层光纤和
制造工艺的限制
在此后几年里掺镱光 纤激光的输 出功率增长 迟缓
随着
高功率
和双包层光纤制造工艺的进一步发展
掺镱光纤激光器的输出功率再次迅速提升
年
南安普敦大
学的
等
实现了世界上第一个千瓦级光纤激光输出
目前国内外许多机构都报道了基于
抽运方
案的千瓦乃至数千瓦的光纤激光器
与其他稀土离子相比
镱离子具有能级结构简单
无激发态吸收等
特点
使得利用掺镱光纤更容易实现高功率输出
目前
掺镱光纤激光器的最高输出功率比其他掺稀土光
纤离子激光器功率高
个量级
12
光纤激光器功率提升面临的主要问题
年
等
通过理论分析预言
抽运的单模 掺镱光纤激 光输出功率 上限为
表明
目前掺镱光纤激光器仍有巨大的功率 提升空间
但事实上
直接抽运的掺 镱 光纤激光 器 近十年功 率 增
长缓慢
多个瓶颈因素共同制约了光纤激光器功率的提升
从掺镱光纤激光器发展历程中可以发现
抽运光亮度是限制光 纤激光器功 率提升的首 要因素
在光
纤的几何参数和数值孔径一定的前提下
抽运光亮度首先限定了可注入增益光纤的抽运光功率
进而决定了
光纤激光器的功率提升能力
当
的工艺水平受限
亮度无法明 显改善时
直接抽运的 光纤激光器 输
出功率将难以得到有效提升
随着光纤激光器功率的增加
非线性效应对输出功率的限制愈发明显
对于宽谱光纤激光器而言
最主
要的非线性效应为受激拉曼散射
效应
使得部分激光功率通过拉曼频移转移到更长波段
不
仅降低了激光器的转换效率
而且反向传输的拉曼光易造成光纤器件的损坏
严重影响系统的稳定性
增益光纤内的热负荷是限制其功率提升的另一个主要因素
掺镱光纤激光器内热负荷的主要来源是激
光跃迁产生的量子亏损
以
抽运光转换为
激光为例
产生的量子亏损约为
即约
的抽运光能量最终转换为光纤内的热负荷
此外能级间的无辐射跃迁和光纤的背景损耗使热负荷进一
步增加
纤芯内的热量沉积使光纤温度随抽运功率的增加而不断升高
有可能引起涂 覆层材料的 老化或损
伤
近年来
高功率光纤激光器内与热负荷相关的另一种效应
热致模式不稳定
引起了高功率光纤激
光研究者的密切关注
热致模式不稳定在宏观上表现为当输出激光达到某一阈值 功率时
激光光束质
量发生明显退化
热致模式不稳定是光波场和折射率调制相互作用的结果
折射率调制由温度场导致
而温
度场与光纤内的增益分布有关
模式不稳定产生的根源是热效应
而量子亏损是高功率掺 镱光纤激光 中最
主要的热源
研究结果表明
热致模 式不稳定 阈 值随纤芯 直 径和数值 孔 径的增加 而 降低
热致模式
不稳定使纤芯内的基模激光转换为含有相当部 分高阶 模 的激光
导致光束 质 量退化
限制光纤 激 光的实际
应用
增益光纤的光子暗化效应是影响高功率光纤激光器稳定性的一个重要因素
光子暗化效应表现为激光
器输出功率随工作时间的增加而逐渐下降
光子暗化的速率与激光上能级反转粒子数呈正相关
上能级
反转粒子数越多
光子暗化速率越快
此外
光纤器件的承受功率也是限制光纤激光器功率提升的实际因素
在上述诸多因素的共同制约下
由
直接 抽 运 的 单 模 光 纤 激 光 器 输 出 功 率 仍 未 突 破
国 际 上 目 前 功 率 最 高 的 光 纤 激 光 器
则是采用了级联抽运方案实现的
掺镱光纤激光级联抽运技术基本概念
级联抽运又被称作二次抽运
其基本过程可由图
描述
与常规的一 次抽运
如
直接抽运
产生目
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