（光学专业论文）掺镱双包层光纤放大器和激光束相干合成的基础研究.pdf

摘 要 非线性效应的影响，综合考虑这两种因素，我们研制的掺镜双包层放大器其输 出光既保持了 信号光的优良 光谱特性， 又可以 有效压制受激布里渊散射。放大 器输出激光的线宽约为0 .0 2 7 n m ，对应相干长度约为4 c m，对于相干性的操作长 度己经足够:输出激光线宽对应的频谱宽度为7 .2 g h z ，足可以 压制受激布里渊 散射( 约1 0 0 m h z 带宽 ) 。 5 . 研 究了e r 0 + / y b 3 + 共 掺 双 包 层 光 纤 放 大 器 的 偏 振 特 性.以 椭圆 长 轴方 位角 和偏振度这对参量来表征光的偏振态， 对双包层光纤放大器的偏振态的演化及 其稳定性进行了研究。要想使双包层光纤放大器输出的光具有良好的偏振特性 一偏振度高且偏振态稳定，就必须在控制光路中加入起偏器以确保其高的偏振 度， 配合使用偏振控制器就可以保证高的偏振度和偏振方向的可控性。 如果能 在信号源光纤回路中使用保偏光纤和在放大增益阶段采用双包层保偏光纤，则 会使整个放大器系统输出光的偏振态的稳定性进一步提高。对于连续波操作条 件和锁模脉冲操作条件都有上述结论，不同的是锁模脉冲工作模式下， 光的偏 振度整体下降，但偏振态的稳定性却有所提高。 6 . 将改进的迈克尔逊激光腔实现相干合成的方案和包层泵浦技术相结合， 并提出在迈克尔逊腔的一臂上增加延时结构以方便臂长差的优化，在掺镜双包 层激光器中实现了激光束的部分相干合成。经过初步的实验，我们得出:如果 增益光纤的长度有较大差别以致光谱增益区间没有重叠时，是不可能实现相干 合成的:使用对激光较低反射率的输出境会提高激光系统的输出功率， 但如果 反射率太低则不能提供足够的反馈使迈克尔逊腔结构的两路同时起振，选择腔 镜要权衡这两个因素:我们使用偏振态、光谱和功率增量比几种手段来描述合 成光的相干程度并相互印证，证明在我们的实验中采用改进的迈克尔逊激光腔 结构实现了两路掺镜双包层激光器的部分相干合成，不过合成效率较低;在高 功率工作条件下合成光的相千性下降。结合理论部分对迈克尔逊激光腔实现相 干合成的限制的简单估计可知，虽然这种相千合成的方法具有高的相干合成效 率，但不适用于大阵列激光器的相干合成和高功率的操作条件。 7 . 研究了多波长可转换掺镜双包层光纤激光器。我们在掺镜双包层光纤上 利用相 位掩 模法直 接刻写b r a g g 多 模光栅实 现了 多 波 长可转换输出 的 实 验结果， 分别得 到 单 波长 ( 1 0 6 0 .8 r u n ) 、 双波长 ( 1 0 6 0 .6 nn, 1 0 6 1 r u n ) 、 三波 长 ( 1 0 5 9 .2 m n , 1 0 6 0 .4 r u n , 1 0 6 1 n m ) 、四 波长( 1 0 6 0 .7 nn, 1 0 6 1 r u n , 1 0 6 1 .2 r u n , 1 0 6 1 .4 r i m ) 的 输出结果。波长线宽均小于0 .0 2 nn ， 边模抑制比都在2 0 d b以 上， 最高输出功 摘 要 率为6 . 1 2 w，斜率效率为4 0 %, s . 参与研制了 全国产器件掺镜双包层光纤激光器样机，激光器采用端面泵 浦形式，线性谐振腔结构，激光直接从光纤后端面输出。激光输出功率达到了 1 2 w.斜率效率为7 6 .9 %，长时间稳定输出，功率波动在0 .5 %以内。 关键词 激光束相千合成技术 光纤放大器 自傅立叶腔 改进的迈克尔逊腔 并联 mo p a偏振态 偏振度 功率增量比 双包层光纤 泵浦祸合技术。 ab s t r a 以 ab s t r a c t f r o m t h e d a y o f t h e b i r th o f la s e r , t h e l a s e r s y s t e m w it h h i g h o u t p u t p o w e r a n d w i t h h i g h q u a l i ty h a s b e e n a c o n s ta n t g o a l o f m a n s p u r s u it , d u e t o i t s s i g n i fi c a n t a p p l i c a t i o n v a l u e i n m a n y fi e l d s s u c h a s s c i e n c e r e s e a r c h , i n d u s t r i a l p r o d u c t i o n , m i l i t a ry e q u i p m e n t s a n d e t c . i n r e c e n t y e a r s t h e l a s e r b e a m c o h e r e n t c o m b i n a t i o n ( o r c a l l e d c o h e r e n t a d d it i o n t e c h n o l o g y ) h a s b e e n a v i t a l a p p r o a c h t o r e a l i z e t h e g o a l a n d h a s b e e n a r e s e a c h h i g h l i g h t . i n t h i s p a p e r , w e u n d e r t o o k f u n d a m e n t a l re s e a r c h o f t h i s t e c h n o lo g y b y u s e o f y b 3 - d o p e d d o u b le c la d fi b e r , c o m b in in g t h e t e c h n o l o g y w it h t h e c l a d d i n g - p u m p t e c h n o l o g y . t h r o u g h o u r w o r k w e g o t a s e r i e s o f re s u l t s , w h i c h l a i d a n i m p o r t a n t f o u n d a t i o n f o r f u r th e r w o r k . t h e m a i n c o n t e n t s i n t h i s p a p e r a re a s f o l l o w s : 1 . w e r e v i e w e d t h e h i s t o ry a n d t h e re s e a r c h c u r r e n t s i t u a t i o n o f t h e t e c h n o l o g y , a n d i n t r o d u c e d t h e l a t e s t d o m e s t i c a n d i n t e r n a t i o n a l p r o c e e d i n g s o f t h e t e c h n o l o g y . w e i n t r o d u c e d a n d d i s c u s s e d t h e t e c h n o l o g y s m a i n c a t a l o g u e s a n d t h e i r i n d i v i d u a l k e y c h a r a c t e r i s t i c s o f a c c o m p l i s h i n g c o h e re n t o u t p u t . t h e n w e i n t r o d u c e d t h e c l a d d i n g - p u m p t e c h n o l o g y a b o u t d o u b l e c l a d f i b e r s , a n d p o in t e d o u t t h a t t h e y b 3 4 - d o p e d d o u b l e c la d fi b e r l a s e r h a s its i r r e p la c e a b le a d v a n ta g e s in t h e re s e a r c h a n d a p p l i c a t i o n o f l a s e r b e a m c o h e re n t c o m b i n a t i o n d u e t o i t s i n h e r e n t p r o p e rt i e s s u c h a s c o m p a c t s t r u c t u r e f o r c o n v e n i e n t a d d i t i o n , h i g h b e a m q u a l i ty a n d e t c . , fr o m w h i c h t h e p a p e r s c o n c e p t i o n i s . 2 . b a s e d o n t h e m o d e l o f y b 3 - d o p e d d o u b le c la d fi b e r a m p li f ie r in c l u d in g a m p l i f i e d s p o n t a n e o u s e m i s s io n ( a s e ) b r o u g h t f o r th b y d .c .j o n e s , e t c ., w e d e d u c e d t h e s o lu t i o n o f t h e a m p l i fi e r s a m p l i fi e d s i g n a l l i g h t , l a u n c h e d p u m p l i g h t , a s e a n d n u m b e r d e n s i ty i n u p p e r e n e r g y l e v e l u n d e r t h e s ta b i l i ty c o n d i t i o n , a n d t h e n w e s im u l a t e d t h e e ff e c t o f t h e a m p li f i e r s s tr u c t u r e p a r a m e t e r s o n i t s o u t p u t c h a r a c t e r i s t i c s . w e o b t a i n e d t h e d i s t r i b u t i o n a l o n g t h e f i b e r o f l a u n c h e d p u m p l i g h t , a m p l i f i e d s i g n a l l i g h t , a s e f o r w a r d a n d b a c k w a r d . w e o b ta i n e d th e re la t i o n b e t w e e n a m p l i f i e d s i g n a l l i g h t a n d l a u n c h e d p u m p l i g h t . we o b t a i n e d t h e s p e c t r a o f t h e ab s tra c t a m p l i fi e r s o u 印 u t a n d a s e s u p p r e s s i o n . 3 . b u i l t o n t h e p r o j e c t o f a s e l f f o u r i e r c a v it y t o a c h i e v e c o h e r e n t c o m b i n a t i o n b r o u g h t f o r t h勿 c o r c o r a n , e t c ., w e u s e d t h e p a r a m e t e r s o f a c e r t a i n t y p e o f y b 3 + - d o p e d d o u b le c l a d fi b e r i n o u r l a b o r a t o ry a n d t h e o p e r a t i o n w a v e le n g th t o d e s i g n a o n e - d im e n s i o n a l s e l f f o u r i e r c a v it y a n d s i m u l a t e t h e a m p li t u d e d i s tr i b u t i o n o f t h e o u tp u t o f a l l t h e f i b e r l a s e r s o n t h e i n p u t p l a n e o f t h e c a v i t y . 4 . w e s tu d i e d a la r g e - m o d e - a r e a ( l m a ) y b 3 + - d o p e d d o u b l e c la d f ib e r a m p li f i e r . a s f o r b a c k w a r d p u m p w a y , w e d e m o n s t r a t e d t h a t t h e r e e x i s t s e n e r g y s h i ft fr o m f o r w a r d l a u n c h e d p u m p li g h t t o a m p l i fi e d s i g n a l l i g h t a n d a s e w h e t h e r w i t h s i g n a l l i g h t o r w it h o u t s i g n a l l i g h t , h i g h e r o u t p u t p o w e r o f t h e a m p l i fi e r r e q u ir e s a b a c k w a r d p u m p w a y . t h e in tr o d u c t i o n o f s i g n a l l i g h t e n h a n c e s t h e l i g h t t o l i g h t c o n v e r s i o n e ff i c i e n c y o f t h e s y s t e m t h r o u g h t h e s u p p r e s s i o n o f a s e . t h e c o h e r e n c e o f t h e p a r a l l e l m a s te r o s c i l l a t o r p o w e r a m p l i f i e r ( mo p a ) p r o j e c t o f a c h i e v i n g l a s e r b e a m c o h e r e n t c o m b i n a t i o n re q u i re s a n a r r o w l i n e w i d t h o f e v e ry p a t h a m p l i f i e r o u t p u t ， h o w e v e r , t h e l a s e r o u t p u t w i t h a n a r r o w l i n e w i d t h u n d e r t h e c o n d it i o n o f h i g h p o w e r i s s u b j e c t t o n o n l i n e a r e ff e c t i n t h e fi b e r . a ft e r t h e t r a d e - o ff b e t w e e n t h e s e t w o f a c t o r s a b o v e , w e d e v e lo p e d a y b 3 十 一 o p e d d o u b l e c la d f ib e r a m p l ifi e r w h o s e o u tp u t b o th p re s e r v e s e x c e l l e n t s p e c t r u m p r o p e rt i e s o f t h e s i g n a l l i g h t a s w e l l a s s u p p r e s s e s e ff e c t i v e ly s t i m u l a t e d b r i l l o u in s c a tt e r in g ( s b s ) . t h e l i n e w i d t h o f t h e a m p l i f i e r o u t p u t i s a r o u n d 0 . 0 2 7 n m , c o r r e s p o n d i n g t o a c o h e r e n t l e n g th o f a b o u t 4 c m , w h i c h i s e n o u g h t o c o h e r e n t o p e r a t i o n ; c o r re s p o n d i n g t o a fr e q u e n c y s p e c t r u m w i d t h o f 7 .2 g h z , w h i c h i s a d e q u a t e t o s u p p r e s s t h e s b s ( a b o u t 1 0 0 m h z fr e q u e n c y s p e c t r u m w i d t h ). 5 . w e in v e s ti g a t e d t h e p o la r iz a t i o n p r o p e rt ie s o f e r a 十 / y b 3 c o - d o p e d d o u b le c la d f i b e r a m p l i f i e r . w e s t u d i e d t h e v a r i a t i o n a n d t h e s ta b i l i t y o f t h e p o l a r i z a t i o n s t a t e o f d o u b l e c l a d f i b e r a m p l i f i e r r e p r e s e n t i n g t h e p o l a r i z a t io n s t a t e b y u s e o f t h e p a r a m e t e r p a i r o f e l l i p t i c a l l o n g - a x i s a z i m u t h a n d p o l a r i z a t i o n d e g r e e . t o e n s u r e g o o d p o l a r i z a t i o n c h a r a c t e r i s t i c s - h i g h p o l a r i z a t i o n d e g r e e a n d h i g h s t a b i l i t y o f p o l a r iz a t i o n s t a t e o f a d o u b l e c l a d fi b e r a m p li f i e r , a p o l a r i z e r h a s t o b e i n s e r te d i n th e c o n tr o l l o o p . i n c o m b i n a t i o n w i t h t h e u s e o f a p o l a r i z a t i o n c o n t ro l l e r , w e c a n e n s u r e h i g h p o l a r i z a t i o n d e g r e e a n d c o n tr o l p o l a r i z a t i o n o r i e n t a t i o n . a p o l a r i z a t i o n m a i n ta i n i n g fi b e r i s r e c o m m e n d e d t o b e u s e d t o f u r t h e r i m p r o v e t h e a mp l i f i e r s p o l a r i z a t i o n ab s tr a c t s t a b i l i ty i n t h e l o o p o f s i g n a l l i g h t a n d i n t h e a m p l i f i e d g a i n m e d i a . we h a d n e a r ly u n i f o r m c o n c l u s i o n s w h e t h e r f o r c o n t i n u o u s w a v e o p e r a t i o n o r f o r 州s e mo d e - l o c k e d o p e r a t i o n ; t h e d i ff e r e n c e l i e s i n t h a t u n d e r t h e c o n d i t i o n o f p u l s e mo d e - l o c k e d o p e r a t i o n , t h e p o l a r i z a t i o n d e g re e d e s c e n d s , w h i l e th e s t a b i l i ty o f p o l a r i z a t i o n s t a t e i m p r o v e s s l i g h t l y . 6 . w e a c h ie v e d p a r tly c o h e r e n t c o m b in a t io n in t w o y b 3 + - d o p e d d o u b le c l a d fi b e r l a s e r s , c o m b i n i n g t h e i m p r o v e d m i c h e l s o n c a v ity c o n f i g u r a t i o n a n d c l a d d i n g - p u m p t e c h n o l o g y a n d b r i n g i n g f o rt h a d d in g a d e l a y li n e s t r u c t u r e i n o n e b r a n c h a r m t o o p t im i z e t h e a r m l e n g t h d i ff e r e n c e o f t h e c a v ity . t h r o u g h p r e l i m i n a ry e x p e r im e n t , w e c o n c l u d e d t h a t c o h e r e n t c o m b i n a t i o n c a n n o t b e r e a l i z e d i f t h e a r m l e n g t h d i ff e r e n c e o f t h e t w o g a i n fi b e r s i s t o o l a r g e t o h a v e n o o v e r l a p p e d s p e c t r u m g a in a re a ; t h e o u t p u t m i n o r w i t h l o w re fl e c t i v i ty c a n e n h a n c e o u t p u t p o w e r o f t h e l a s e r s y s t e m , h o w e v e r , e x c e s s i v e lo w r e l e c t i v i ty c a n n o t o ff e r e n o u g h f e e d b a c k t o e n s u re t h e t w o a r m s l a s in g a t t h e s a m e t i m e , s o t h e s e l e c t i o n o f t h e r e fl e c t i v i ty o f t h e o u t p u t m i r r o r r e q u i re s a t r a d e - o ff b e t w e e n t h e t w o f a c t o r s ; w e u s e d t h r e e m e t h o d s i n c l u d i n g p o l a r i z a t i o n s t a t e , s p e c t r a a n d p o w e r i n c r e m e n t a l r a t i o , m u t u a l l y v e r i f y in g , t o d e s c r i b e t h e c o h e r e n c e o f t h e c o m b i n i n g l i g h t a n d d e m o n s t r a t e d t h a t w e h a v e a c h i e v e d p a r tl y c o h e re n t c o m b in a t io n in tw o y 6 3 c o - d o p e d d o u b le c l a d fi b e r la s e r s i n t h e c o n f i g u r a t io n , m e r e l y w i t h l o w c o m b i n a t i o n e f f i c i e n c y ; u n d e r h i g h p o w e r o p e r a t i o n t h e c o h e r e n c e o f t h e c o m b i n i n g l i g h t w i l l r e d u c e . i n c o m b i n a t i o n w i t h t h e s i m p l e e s t im a t e o f mi c h e l s o n c a v i ty t o o b t a i n c o h e r e n t c o m b i n a t i o n i n t h e t h e o ry p a r t , w e c o u l d k n o w t h a t t h i s c o m b i n a t i o n m e t h o d d o e s n o t s u i t h i g h p o w e r o p e r a t i o n a n d t h e c o h e r e n t c o m b i n a t i o n o f a n a r r a y o f m u l t i t u d e s o f l a s e r s i n s p i t e o f h i g h c o h e r e n t c o m b i n a t i o n e ff i c i e n c y . 7 . w e s tu d i e d m u lt i- w a v e le n g th c o n v e rt i b l e y b 3 + - d o p e d d o u b l e c l a d f ib e r la s e r . wi t h a p h a s e m a s k , w e f a b ri c a t e d t h e fi b e r b r a g g g r a t i n g s d i r e c t l y i n a m u lt i m o d e y b 3 - d o p e d d o u b le - c la d f ib e r a s th e fr e q u e n c y s e l e c t i v e 二a n d o b t a in e d t h e re s u l t s o f m u l t i - w a v e l e n g t h o u tp u t w h i c h i n c l u d e : s i n g l e w a v e l e n g th o u t p u t ( 1 0 6 0 .8 n r n ) , d u a l w a v e l e n g t h o u t p u t ( 1 0 6 0 .6 nn a n d 1 0 6 1 n u n ) , t r i p l e w a v e l e n g t h o u t p u t ( 1 0 5 9 .2 nn, 1 0 6 0 .4 ru n a n d 1 0 6 1 n u n ) , f o u r w a v e le n g t h o u t p u t ( 1 0 6 0 .7 n m , 1 0 6 1 a m , 1 0 6 1 . 2 n m , 1 0 6 1 .4 n m ) . e a c h l i n e w i d t h a b o v e i s l e s s t h a n 0 . 0 2 n m , w i t h a s i d e m o d e ab s tra c t s u p p re s s i o n r a t i o h i g h e r t h a n 2 0 d b . t h e h i g h e s t o u t p u t p o w e r o f t h e l a s e r i s 6 . 1 2 w , w i t h t h e s l o p e e ffic i e n c y o f 4 0 % . s . w e d e s i g n e d a n d a c h ie v e d a h i g h p o w e r y b 3 - d o p e d d o u b l e c l a d f i b e r l a s e r b a s e d o n w h o l l y d o m e s ti c c o m p o n e n t s . t h e l a s e r w a s e n d p u m p e d , w i t h a l i n e a r i t y r e s o n a t o r c a v i t y a r c h i t e c t u r e , w i t h d i r e c t o u t p u t fr o m t h e b a c k e n d o f t h e fi b e r . t h e o u tp u t p o w e r i s 1 2 w, w it h t h e s l o p e - e ff i c i e n c y o f 7 6 .9 % . a n d t h e fl u c t u a t i o n o f o u t p u t p o w e r i s l e s s t h a n 0 . 5 % u n d e r l o n g - t i m e h i g h - p o w e r o p e r a t i o n . ke y w o r d s l a s e r b e a m c o h e r e n t c o m b in a t i o n , fi b e r a m p l i fi e r , s e l f - f o u r i e r c a v ity , i m p r o v e d m i c h e l s o n c a v i ty , p a r a l l e l m o p a , p o l a r i z a t i o n s t a t e , p o l a r i z a t i o n d e g re e , p o w e r i n c r e m e n t a l r a t i o , d o u b l e c l a d fi b e r , c l a d d i n g - p u m p t e c h n o l o g y 南开大学学位论文版权使用授权书 本人完全了 解南开大学关于收集、保存、使用学位论文的 规定，同意如下 各项内容:按照学校要求提交学位论文的印刷本和电子版本;学 校有权保存学 位论文的印刷本和电子版，并采用影印、 缩印、扫描、数字化或其它手段保存 论文;学校有权提供目 录检索以 及提供本学位论文全文或者部分的阅览服务; 学校有权按有关规定向国家有关部门 或者机构送交论文的复印件和电子版; 在 不以 赢利为目 的的前提下，学校可以 适当复制论文的部分或全部内 容用于学术 活动。 学 位 论 文 作 者 签 “ : 辱 聆 、片 喊 ”了 年-t - 月 21日 经指导教师同意，本学位论文属于保密，在年解密后适用本授权书。 指导教师签名:学位论文作者签名: 解密时间:年月日 各密级的最长保密年限及书写格式规定如下: 内部 5 年 ( 最长5 年， 可少于5 年) 秘密1 0 年 ( 最长 1 0 年，可少于 1 0 年) 机密*2 0 年 ( 最长2 0 年，可少于 2 0年) 南开大学学位论文原创性声明 本人郑重声明: 所呈交的学位论文，是本人在导师指导下，进行研究工 作 所 取得的成果。除文中己 经注明引用的内容外， 本学位论文的研究成果不包含 任 何他人创作的、已公开发表或者没有公开发表的作品的内 容。对本论文所 涉 及的研究工作做出贡献的其他个人和集体，均已 在文中以明确方式标明。 本学 位论文原创性声明的法律责任 由本人承担。 学 位 论 文 作 者 签 名 : 俞、 诚 和7年上 月2 -7 日 第一章 绪 论 第一章 绪 论 夸 1 . 1 激光束相干合成 自从激光技术产生之日起，具有高平均功率和优良 光束质量特性的激光系 统就是人们不断努力追求和发展的目 标。为实现这一目 标，有两条途径可走. 第一条就是通过设计优化等手段提高单个激光器的输出功率，对于适合高功率 作业的固体激光器，随着光功率的不断提高，热光效应会导致光束质量严重下 降，发展更高输出功率的固体激光器遇到了瓶颈并使研制和开发的费用极大增 加.建立高功率激光器的另一途径是采用由若干较低输出功率的激光器组成的 阵列进行组束输出，获得高功率输出的同时保持优良的光束质量，这种技术就 称为激光束的相干合成或相干组束。从一方面看，这种技术可以将现有可用的 组束技术和激光器技术结合起来，是一种技术的集成;从另一方面看，这种技 术的发展又会引出很多新奇的物理现象和问题，对激光科学乃至物理科学的发 展具有深远的意义.激光束相干合成技术激发了人们极大的研究兴趣，是激光 科学领域内非常重要和富有挑战性的领域。近年来人们在这一领域进行了 大量 的研究，探索出许多实现相干合成的方案;但无论从理论还是实验的研究上， 仍有大量工作要做。随着激光束相干合成研究的进展，激光器阵列必然成为实 现高功率、高光束质量输出的激光系统的可行方案，在科学研究、工业生产和 军事装备等领域发挥重要作用. 激光束的相干合成或组束技术在要求高功率高亮度激光束的场合下有广泛 的应用。和其它合成技术相比，这种技术具有简单性、稳定性和可扩容性。自 由空间光通讯要求高功率高亮度激光束，以 使光束可以 在较长距离内传输。 在 工业领域内， 可以利用高功率高亮度激光束进行切割、焊接、钻探和给各种物 品打标，而且随着激光束功率和亮度的增高， 会使处理速度加快，从而节约生 产成本。这种光束也可以用来处理用现有的激光源无法处理的新的和较厚的物 质。军事上高功率高亮度激光束有几种用途:长距离照明和对准需要数百瓦的 高质量光束;高功率高亮度激光束用以摧毁敌方军事目 标或使侦测仪器致盲。 在激光医疗与美容方面，功率超过几瓦的光纤激光器能够在显微外科手术中扮 演重要的角色，它能为外科手术提供较大的高能辐射源。 第一章 绪 论 1 . 1 1 给出 几种常见双包层光纤截面图， 这些经过特殊设计的内 包层使双包层光纤 激光器对泵浦光的利用效率得到明显提高。 内包层 图1 . 1 0双包层掺杂光纤的结构简图 尹 厂、怂产一 、 泛夕 刀 认 巨习 图1 . 1 1几种常见双包层光纤截面图 1 .3 . 2双包层光纤激光器及放大器 1 . 双包层光纤激光器 1 9 8 8 年， p o l a r i o d 公司首先提出了包 层泵浦技术， 开创了高功率光纤激光器 发 展 的 新 局 面 1 .5 3 1 在 包 层 泵 浦 技 术的 发 展 初 期， 人 们的 注 意 力 主 要集中 在 掺n d 3 4 ( n e o d y m iu m ) 双包层 光纤 激 光器的 研究上 1 -5 4 , 5 5 ) . 1 9 9 4 年，由h . m . p a s k 等 人首 先在 掺yb3 十 石英光纤中实现了包层泵浦， 实验中得到了波长为1 0 4 0 n r n . 0 . 5 w的最大激光输 出， 斜率 效 率 达到了8 0 % 1 .1 6 1 。由 于 w + 具 有简单的 能级结 构、 宽的 吸收带 和 大的发射截面，便于泵浦和获得高的转化效率，使得人们的注意力逐渐转向掺 yb3 十 双 包 层光纤 激光器的 研究。 随着v形槽泵浦技术，树权形祸合泵浦技术的出现，双包层光纤激光器的 输出 功 率 获得 快速提高，目 前 利用单根 双 包 层掺 yb3 十 光纤可以 获 得 超 过千瓦的 输出 功 率 (1 .5 7 1 ， 而将多 根多 模双 包层光纤 分 别 泵 浦后， 再将输出 光纤 祸 合至 一起 甚至可以获得超过万瓦的输出功率。这些高功率光纤激光器己经成功地应用于 工业焊接与切割、激光医疗、打标等各个领域.近年来，i p g公司、s d l公司、 第一章 绪 论 受到人们的青睐: 包层泵浦技术又突破了普通光纤输出功率上的制约;yb3 + 具 有简单的能级结构、宽的吸收带和大的发射截面， 便于泵浦和获得高的转化效 率。因此掺镜双包层光纤激光器除具有普通光纤激光器的优点之外，又可在高 功率条件下运作，成为发展高功率激光器的重要候选。现在报道的单个光纤激 光器输出功率已 超过k w， 完全可以 和在高功率条件下使用的传统的固体激光器 媲美11 .5 71 掺镜 双 包层 光纤激光器作 为固 体 激光 器家 族中的 一 员， 具有以 下 优异 的 性能 i s z ) . 1 ) 高 功率。 一 个多 模泵浦二极管 模 块组 可 辐射出1 0 0 w的 光功率， 多 个多 模泵浦二极管并行设置，可允许设计出很高功率输出的光纤激光器; 2 ) 模式质量好。 通过设计大纤芯和小的 数值孔径， 光纤中只有几个模式: 2 ) 无需热电 冷却器。 这种大功率的宽面多 模二极管可在很高的 温度下工 作，只须简单的风冷，成本低; 3 ) 很宽的 泵 浦波 长范围. 包层光 纤纤芯中 掺 杂了 镜元素， 有一个很宽的 光 吸收区 ( 9 0 0 - 1 1 0 0 n m ) ， 所以 泵浦二极 管不需 任何 类型的 波 长稳定装置; 4 ) 效率高. 泵 浦光多次 横穿 过 光纤 纤芯， 因 此其利 用率高: 5 ) 高可靠性。多模泵浦二极管比 起单模泵浦二极管来其稳定性要高出 很 多。 其几何上的宽面就使得激器的断面上的光功率密度很低且通过活性面的电 流密度亦很低。这样一来，泵浦二极管其可靠运转寿命超过1 0 0 万小时。 1 .4 .2掺镜双包层光纤激光器用于激光束的相干合成 激光束相干合成技术作为实现高功率激光输出的重要途径，在过去的2 0 多 年里人们已经在这一领域里进行了大量的研究，相干阵列中所用的激光器多集 中在固体、半导体和光纤激光器。这种技术是将许多中等功率输出的激光器组 成的阵列实现同相输出，实现大功率的同时保持优良的光束质量。而掺镜双包 层光纤激光器具有的如结构紧凑易于组束、模式质量好等优势使它成为实现激 光束相干合成的不二之选。 1 . 5 本论文研究内 容 本论文所涉及的研究工作主要是在国家科技部国家重点基础研究发展计划 ( 9 7 3 计划)