大模场面积光纤高功率光纤激光器与光纤放大器

2008/7/28/10:33 来源：光电新闻网 作者：楼祺洪等

    随着大功率半导体激光技术的发展，半导体激光泵浦的固体激光器（DPSSL）在很大程度上克服了灯泵浦固体激光器的效率低、规模难以扩大、亮度随规模扩大而增大有限、介质热变形导致的光束质量下降等问题。随着半导体激光器阵列价格的下降和固体激光器性能的提高，高功率DPSSL必将获得更为广泛的应用。虽然DPSSL相对于CO2和灯泵Nd：YAG具有很大的优越性和竞争力，但由于在激光产生时总有一部分能量以无辐射跃迁的方式转换为热，对于常规的棒状DPSSL，高功率时存在严重的热透镜和热致双折射效应，从而使得光束质量下降。这部分热能量如何从棒状激光介质中散发、排除，成为获得高光束质量、高功率输出的关键。将块状激光介质做成薄片或拉成细长光纤形状，将会有效增大散热表面积，使表面积/体积比大大提高，有利于固体激光器散热问题的解决，这就是高功率固体激光器发展的两个重要方向：薄片激光器和光纤激光器。  

    通常所说的光纤激光器，就是采用光纤作为激光介质的激光器，通过在光纤基质材料中掺杂不同的稀土离子，获得所对应波段的激光输出。对于常规的单模光纤激光器，要求注入到纤芯的泵浦光也必须为单模，这限制了泵浦光的入纤效率，导致光纤激光器的输出功率和效率较低。双包层光纤的提出，为提高光纤激光器的输出功率和转换效率提供了有效的技术途径，改变了光纤激光器只能作为一种小功率光子器件的历史。考虑到量子转换效率、抗激光损伤阈值和基底损耗等原因，掺镱石英双包层光纤是实现高功率光纤激光器或放大器的最佳选择。随着双包层光纤制作工艺和高功率半导体激光泵浦技术的发展，单根双包层光纤激光器的输出功率逐步提高，连续输出功率已经达到千瓦级。  

    大模场面积双包层光纤 
 
    双包层光纤中折射率呈典型的阶跃式分布，对于圆形的掺杂纤芯，双包层光纤激光器能否实现单模激光输出，取决于纤芯的直径d和数值孔径NA0，实际的单模条件为归一化频率。  

    要保证双包层光纤激光器实现单模激光输出，纤芯的参数必须满足上述条件。实际上，对于双包层光纤激光器来说，由于所用光纤较长，加之散射、光纤弯曲等因素的影响，当归一化频率2.4就双包层光纤本身来说，提升光纤激光器输出功率的障碍主要来自于掺杂纤芯，一是光纤端面的激光损伤，二是光纤中的非线性效应。纯石英的激光损伤阈值非常高，在脉冲激光下的损伤阈值约为100W/祄2，以此计算，典型单模纤芯似乎可以实现高达千瓦量级激光功率输出。实际上，100W/祄2是脉冲激光的峰值功率密度，对于连续激光来说，石英的激光阈值会远小于此值。特别是对于掺杂石英光纤来说，由于掺杂引起的纯度和均匀性的降低，大大降低了光纤端面的激光损伤阈值。为了保证光纤激光器的稳定与可靠，在光纤激光器设计时一般取1.5W/祄2。据此，对于典型的6～10祄纤芯直径的双包层光纤来说，其可能实现的激光功率也就在百瓦量级。  

    由于双包层光纤激光器纤芯中的激光功率密度非常高，且光纤较长，很可能产生非线性效应。光纤中主要的非线性效应包括：受激布里渊散射（SBS）、受激拉曼散射（SRS）和自相位调制（对脉冲激光来说）。对于窄带、连续波的激光在光纤中的传输，布里渊散射阈值Pth-B和拉曼散射阈值Pth-R分别可以按下式来粗略地估算： 

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