（光学工程专业论文）瓦级全光纤纳秒脉冲光纤放大器研究.pdf

摘要 摘要 高功率全光纤脉冲放大器以其低阈值、高效率、高光束质量、可靠性好、 结构紧凑和散热性能好等诸多优点，在光通信、军事、医疗、激光加工等领域 具有广泛的应用潜力，成为近年来的研究热点并备受关注。本论文在国家科技 部9 7 3 计划“基于微结构光纤的光电子功能器件的创新与基础研究”( 项目编号： 2 0 0 3 c b 31 4 9 0 6 ) 和固体激光技术国家重点实验室基金“短脉冲双包层光纤相干激 光光源的研究”( 项目编号：5 1 4 3 8 0 2 0 2 0 5 j w l 5 0 2 ) 等项目支持下，对瓦级全光 纤包层泵浦纳秒脉冲掺镱放大激光系统进行了实验研究。主要研究工作包括： 1 、毫瓦级功率水平的纳秒脉冲种子源主振荡器研制。我们通过对平均功率 0 5 m w 、脉宽2 0 n s 以及重复频率5 0 k h z 的脉冲信号进行两级单模掺镱 光纤放大，最终得到平均功率为2 6 1 m w ，信噪比为2 5 d b 的脉冲输出， 为实现瓦级全光纤纳秒脉冲光纤激光放大系统，提供了性能优良的种子 源。 2 、利用国产掺镱双包层光纤，将光纤侧面耦合器和主振荡功率放大技术相 结合，研究了侧面分布式泵浦、两级全光纤连接的掺镱双包层脉冲光纤 放大器，实现了平均输出功率2 1 2 w 、脉冲宽度2 0 n s 、重复频率5 0 k h z 的全光纤双包层脉冲光纤激光放大系统。实验中侧面泵浦耦合器成功的 隔离了回波脉冲对泵浦光源的影响，解决了泵浦光源的损坏问题。 3 、采用合束器耦合泵浦方式，使用低掺杂浓度的国产d 型内包层的掺镱双 包层光纤，通过级联两级包层泵浦光纤放大器，实现了平均功率2 7 5 w 、 峰值功率2 7 5 k w 的全光纤纳秒脉冲输出，由于采用了低掺杂浓度的增益 光纤，放大过程中激光脉冲形状得到有效保持，解决了脉冲放大中脉冲 畸变的问题。 4 、在对高功率掺镱双包层光纤纳秒脉冲放大器进行系统实验研究的基础 上，对放大过程中产生的次脉冲现象进行了深入研究，发现全光纤结构 的高功率脉冲放大器的光纤熔接质量对次脉冲的产生有很大影响，可以 通过优化熔接参数和选择适当的多级泵浦方式及泵浦功率得到稳定的高 功率脉冲输出。结合双包层掺镱光纤( y d c f ) 和主振荡功率放大( m o p a ) 技术，研制成功稳定的瓦级全光纤纳秒脉冲激光放大系统实验样机，该 摘 要 系统实现的主要技术指标为：激射波长为1 0 6 4n l l l ，脉冲宽度为2 0 n s ，重 复频率为5 0 k h z ，平均功率为：2 4 w 。 关键词：全光纤化、纳秒脉冲、光纤放大器、掺镱双包层光纤 a b s t r a c t a b s t r a c t a l l f i b e rl a s e rp u l s ea m p l i f i e rh a sa t t r a c t e dm a n yi i l t e r e s t ss i n c ei t se m e r g e n c e f o ri t ss e v e r a la d v a n t a g e ss u c ha sl o wt h r e s h o l d ，h i g he f f i c i e n c y ，h i g hp e a kp o w e r ， g o o db e a mq u a l i t y ，r e l i a b i l i t y ，c o m p a c t n e s s ，a n dt h e r m a lm a n a g e m e n t t h e yc a l lb e w i d e l ya p p l i e di nt h ef i e l d so fo p t i c a lc o m m u n i c a t i o n , m i l i t a r ya p p l i c a t i o n , m e d i c a l s o u r c ea n di n d u s t r i a lp r o c e s s i n g t h i sw o r ki sf i n a n c i a l l ys u p p o r t e db yt h en a t i o n a l k e yb a s i cr e s e a r c ha n dd e v e l o p m e n tp r o g r a m m eo fc h i n a u n d e rg r a n t n o 2 0 0 3 c b 31 4 9 0 6a n dt h ep r o j e c to ft h ek e yl a b o r a t o r yf o u n d a t i o no fs o l i d l a s e r t e c l l i l o l o g ) ，u n d e rg r a n tn o 51 4 8 0 2 0 2 0 2 j w l 5 0 2 i nt h i st h e s i s ，o u rs t u d yi sm a i n l y f o c u s e do nt h er e a l i z a t i o no faw a t ta l l f i b e rp u l s ea m p l i f i e r , i n c l u d i n gt h ep r i n c i p l e s a n de x p e r i m e n t so fo u t p u tc h a r a c t e r i s t i c so ft h en a n o s e c o n dp u l s ea m p l i f i e r t h e d e t a i l sa r ed e s c r i b e da sf o l l o w s ： 1 t h em w - c l a s sh i ：g hp o w e rp u l s em a s t e ro s c i l l a t o rh a sb e e nd e v e l o p e d t h e i n p u ts i g n a l 埘t l lar e p e t i t i o nr a t eo f5 0 k h z ，p u l s ed u r a t i o no f2 0 n s ，a n da v e r a g e p o w e r o f0 5 m wi sa m p l i f i e db yat w o - s t a g ey b 3 + - d o p e df i b e ra m p l i f i e r , a n dw eh a v e o b t a i n e do u t p u ts i g n a lp u l s e 、析t l la na v e r a g ep o w e ro f2 6 1m wa n do p t i c a ls i g n a lt o n o i s er a t i o ( o s n r ) o f2 5 d b ，w h i c hp r o v i d e se x c e l l e n ts e e d sf o rw a t ta l l f i b e r n a n o s e c o n dl a s e rp u l s ea m p l i f i c a t i o ns y s t e m 2 b yi n t e g r a t i n gs i d e p u m pc o u p l e r 、析t l l t h em a s t e ro s c i l l a t i o n p o w e r a m p l i f i c a t i o nt e c h n i q u ei nd o m e s t i cy b 3 + - d o p e dd o u b l e - - c l a d d i n gf i b e r , a na l l f i b e r y b 3 + - d o p e dd o u b l ec l a d d i n g f i b e rp u l s e a m p l i f i e r w i t hd i s t r i b u t e d s i d e p u m p t e c h n i q u ea n dt w o - s t a g ec a s c a d e da m p l i f i c a t i o ni si n v e s t i g a t e de x p e r i m e n t a l l y p u l s e s i g n a l sw i t ha v e r a g eo u t p u tp o w e ro f2 12 w p u l s ed u r a t i o no f2 0 n sa n dr e p e t i t i o n f r e q u e n c yo f5 0k h z a r eo b t a i n e df r o mt h ep r o p o s e da m p l i f i c a t i o ns y s t e m w eh a v e s u c c e s s f u l l ye l i m i n a t e dt h ei n f l u e n c eo f r e f l e c t e db a c k w a r dp u l s eo nt h ep u m ps o u r c e b yu t i l i z i n gas i d e - p u m pc o u p l e r , a n dt h u st op r o t e c tt h ep u m pf r o mb e i n gd a m a g e d 3 b yi n t r o d u c i n gt h ep u m pc o m b i n e rp u m p i n gt e c h n i q u e a l l f i b e rd o u b l e c l a d d i n gp u l s ea m p l i f i e r h a sb e e n d e s i g n e d a n da h i e v e d u t i l i z i n g d o m e s t i c i i i l o w 。c o n c e n t r a t i o ny b 3 + _ d o p e dd o u b l e - c l a d d i n gf i b e rw i t had - t y p ei n n e rc l a d d i n g a n dt w o 。s t a g ec a s c a d e da m p l i f i c a t i o nc o n f i g u r a t i o n ，a n dp u l s e s i g n a lw i t ha l la v e r a g e p o w e ro f2 7 5 wa n dp e a kp o w e ro f2 7 5 k ww a so b t a i n e d d u et ot h el o wd o p i n g c o n c e n t r a t i o no ft h eg a i nf i b e rt h a tw eu s e d ，t h el a s e r p u l s es h a p em a i n t a i n st h ei n i t i a l s h a p ev e r yw e l l ，w h i c hh e l p st os o l v et h ep u l s ea b e r r a t i o ni s s u e 4 b a s e do nt h ee x p e r i m e n t a lr e s e a r c ho nt h ey b 3 + - d o p e dd o u b l e c l a d d i n gf i b e r n a n o s e c o n dp u l s ea m p l i f i e r , t h es e c o n d a r yp u l s ep h e n o m e n o n o r i g i n a t i n gi nt h ep u l s e a m p l i f i c a t i o ns y s t e mh a sb e e na n a l y z e da n di n v e s t i g a t e di nd e t a i l w ef i n dt h a t ，t oa l a r g ee x t e n d ，t h i sp h e n o m e n o nd e p e n d so nt h es p l i c i n gq u a l i t yb e t w e e nd i f f e r e n t f i b e r ss e g m e n t s 。b yo p t i m i z i n gs p l i c i n gp a r a m e t e r sa n d c o n t r o l l i n gt h ep u m pp o w e r o fd i f f e r e n ts t a g e s ，w ec o u l da c q u i r es t a b l eh i g hp o w e rl a s e rp u l s e o u t p u t f i n a l l y , b y u s i n gt h ey b - d o p e dd o u b l e - c l a d d i n gf i b e r ( y d c f ) a n dm a s t e ro s c i l l a t i o np o w e r a m p l i f i c a t i o n ( m o p a ) t e c h n i q u e s ，w em a d eap r o t o t y p em o d e lo ft h es t a b l ew a t t a l l f i b e rc l a d d i n g - p u m p e dn a n o s e c o n dp u l s ea m p l i f i c a t i o ns y s t e m ，t h em a i nt e c h n i c a l f e a t u r e so ft h i sm o d e la lea sf o l l o w s ：l a s i n gw a v e l e n g t ha t10 6 4n m , p u l s ed u r a t i o no f 2 0n s ，r e p e t i t i o nf r e q u e n c yo f5 0 k h z k e yw o r d s ：a l l f i b e r , n a n o s e c o n dp u l s e ，f i b e ra m p l i f e r , y b 3 + - d o p e dd o u b l e c l a d d i n g i v 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。除文中已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： q 2 伊3 ) 年 耆吾熟 月e t 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。 学位论文作者签名：牙积哎 加矿年6 月日 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： 第一章绪论 第一章绪论 光纤激光器、放大器作为激光领域的新兴技术，近年来成为科学研究领域 的热点，其发展和应用得到了社会各方面的广泛重视。但是光纤激光器、放大 器并不是什么新型的光器件，因为它的发展历史和激光器本身的历史一样长。 2 0 世纪5 0 年代，激光器的诞生是人类历史上的重大科学技术成果之一。1 9 6 0 年，红宝石激光器和氦氖激光器相继成功运转。同时，对光纤激光器研制工作 也开始进行。1 9 6 1 年，美国光学公司的s n i t z e r 和k o e s t e r 等在光纤激光器领域 进行了开创性的工作【lj ，他们在一根芯径为3 0 0 1 m a 的掺n d 3 + 玻璃波导中进行实 验，观察到了激光现象，并分别于1 9 6 3 年和1 9 6 4 年发表了多组分玻璃光纤中 的光放大结果【2 】，并提出了光纤激光器和光纤放大器的构想。但由于当时的光纤 损耗大、作为泵源的半导体激光器无法在室温下连续工作等原因，使得这之后 很长一段时间的研究仍处于探索阶段。直到1 9 7 0 年，美国c o m i n g 公司首次研 制出第一根损耗为2 0 d b k m 的石英光纤【3 】，1 9 8 5 年英国南安普顿大学的研究人 员采用改进的化学气相沉积( m c v d ) 的方法成功地研制出单模掺铒光纤，以 及后来稀土掺杂光纤制作技术的逐步完善【4 ，5 1 ，光纤放大器技术才逐渐成熟。1 9 8 7 年，英国的南安普顿大学1 6 以及美国的贝尔实验室【7 】证明了掺铒光纤放大器 ( e d f a ) 的可行性，用掺铒光纤作为增益介质实现了光通信中的光放大。由此 引起了光纤通信技术的一场革命，成为光纤通信史上的一个里程碑。现在e d f a 已经产品化，而且进入商用阶段。 但是普通的单包层光纤放大器的泵浦光与激射激光同处于掺杂纤芯内，单 模光纤纤芯的尺寸一般在2 1 2 1 m a ，泵浦光很难被耦合进去，因此，常规单模 光纤放大器的输出功率被限制在几十毫瓦量级。所以，长期以来，光纤放大器 只能被作为弱光光源来使用，在高功率激光领域应用受到极大的限制。直到2 0 世纪8 0 年代后期，包层泵浦技术的出现彻底解决了这个问题。由于双包层光纤 独特的包层结构可以使高功率的多模激光耦合进入光纤，对纤芯进行泵浦，从 而可以得到高功率的激光输出，这些突破性研究进展，使高功率双包层光纤放 大器成为光纤器件领域的研究热点之一。 第一章绪论 第一节高功率光纤放大器的结构及分类 l _ 1 , 1 高功率光纤放大器的结构 光纤放大器一般由抽运源、增益介质光纤、光隔离器及耦合系统等部分组 成。双包层光纤放大器的独特之处在于其增益介质为烈包层光纤，抽运光从一 端通过耦台系统进入双包层光纤的内包层，在光纤内传输过程中被掺杂离了吸 收，形成粒r 数反转以实现增益：信号光从输入端耦合进入双包层光纤的纤芯， 最终获得高功率、光束质量好的放大激光输出。基本原理结构示意图如图11 所 示。 图1i 高功率光纤放大器原理示意罔 1 1 2 高功率光纤放大器的分类 按照不同的分娄方法，光放大器可咀进行如下分类： 、按照时间特性可以分为连续光放大器、脉冲放大器段超短脉冲放大器口】。 这种按时间特性分类是相对于激光工作物质中因各种物理因素引起的驰豫过程 及时间而言的。一方而，由于激光工作物质的辐射跃迁使得粒了在能级卜具有 有限的寿命，因此导致了反转粒子数的增长与衰减需要一定的驰豫时问，它被 称之为纵向驰豫时间，表示为n 。另一a 面，由丁工作物质粒子间或粒子与管 壁间的碰撞以及晶格振动的作用，对电磁场引起的宏观感应电极化具有消相过 程，在消相过程和外加电磁场共同作用下，工作物质中部分原子的电偶极矩逐 渐有序化，因而产生宏观感应电极化强度。但是当电磁场停止作用后，由于消 相作用，宏观感应电极化逐渐消失，相对于电磁场有个滞后时间，称之为横 向驰豫时间，表示为7 7 。 第一章绪论 当放大器的输入信号是连续波或非调q 激光脉冲时，一般满足条件光脉冲 脉宽舻乃。此时由于光信号与工作物质相互作用时间足够长，因受激辐射而消 耗的反转粒子数来得及由泵浦抽运所补充，因此反转粒子数及腔内光子数密度 可以到达稳态数值而不随时间变化，可以用稳态方法研究放大过程。这类放大 器称为连续放大器。 当输入信号脉宽满足条件t 2 r o 乃，因受激辐射而消耗的反转粒子数来不 及由泵浦抽运补充，反转粒子数和光子数在很短的相互作用时间内达不到稳定 状态，这类光放大器必须用非稳态方法研究，称之为脉冲放大器。 二、从增益光纤类型来看，可分为：普通单模光纤放大器，大模场光纤放 大器，双包层光纤放大器，光子晶体光纤放大器。普通单模光纤，一般纤芯尺 寸较小，可实现的增益能力较低，但是放大后输出光束质量好；为了提高增益 光纤的放大能力，提高注入的泵浦功率，研究双包层光纤放大器，实现全光纤 化；大模场光纤放大器，同时具有很高的增益能力也具有很好的输出光束质量； 光子晶体光纤放大器的出现是由于增益光纤中功率过高时会出现非线性效应， 合理的设计与优化掺y b ”光子晶体光纤后，具有高的非线性阈值，另外也具有 很好的单模特性。因此掺稀土元素的大模场光纤和光子晶体光纤为实现高功率 光纤放大器提供了很好的途径。 第二节高功率光纤放大器的特点、性能及评价 高功率光纤激光器和放大器除了具有光纤激光器的优点以外，高光束质量、 高能量密度是其独有的性能优点，因而受到广泛的关注。 1 2 1 高功率光纤激光器、放大器的特点及应用前景 ( 一) 光纤激光器、放大器作为第三代激光技术的代表，具有以下特点： ( 1 ) 光纤制造成本低、技术成熟及其光纤的可饶性所带来的小型化、集约化 优势； ( 2 ) 光纤激光器、放大器具有极低的体积面积比，散热快、损耗低，所以上 转换效率较高，激光阈值低； ( 3 )由于全光纤化的光纤激光器、放大器内无光学镜片，具有免调节、免维 第一章绪论 护、高稳定性的优点，这是传统激光器无法比拟的。 ( 4 ) 光纤导出，使得激光器能轻易胜任各种多维任意空间加工应用，使机械 系统的设计变得非常简单。 ( 5 ) 胜任恶劣的工作环境，对灰尘、震荡、冲击、湿度、温度具有很高的容 忍度。 ( 6 ) 不需热电制冷和水冷，只需简单的风冷。 ( 7 ) 高的电光效率：综合电光效率高达2 0 以上，大幅度节约工作时的耗电， 节约运行成本。 ( 二) 高功率光纤激光器及放大器的应用前景 在光纤通信方面，在日新月异的因特网技术的驱动下，高功率光纤放大器 对通信方面的发展起着举足轻重的作用。然而，现在的掺铒光纤放大器依赖于 单模泵浦激光二极管，输出功率仅在1 w 以下。相对而言，包层泵浦光纤可以把 廉价的多模泵浦激光二极管的激光能量集中起来，使之变为可用的单模的高亮 度的信号光束。双包层光纤激光器的出现，解决了拉曼光纤放大器泵浦源的问 题，这种拉曼光纤放大器可以工作在光通信窗口的任意波长处，并对光信号进 行在线放大。 医学应用的多样性也需要不同波长的高功率激光。高功率2 p m 波长的光纤 激光器可以用于纤维外科手术。最近，功率超过几瓦的掺铥光纤激光器已被应 用于此领域内。数目众多的光纤激光器、放大器也应用于商业打标，工业加工。 在军事方面，由于光纤激光器具有工作环境要求低，结构紧凑，不需特别水冷， 输出臂机动灵活等特点，被寄予厚望。 1 2 2 高功率光纤放大器的评价嗍 描述高功率光纤放大器基本特性的参数包括增益、噪声和饱和输出输入功 率等。 一、增益 增益是评价光纤放大器的最直接和最重要的参数之一，它可以表征放大器 的放大能力。单信号增益，定义为输出功率与输入功率之比，可表示为： g ( d s ) ：l o l g 毕 ( 1 1 ) 4 第一章绪论 式中只鼯为信号带宽内放大器的自发辐射功率，圪和耐分别是信号光的输入与 输出功率。 增益是评价放大器性能的最主要指标，表征放大器放大信号的能力。实验 表明：对于掺镱脉冲光纤放大器，增益一般与脉冲的占空比有关。占空比越小， 单级放大器获得的增益越低。对于脉宽在纳秒级、重复频率在数k h z 的脉冲，单 级放大的增益一般在0 1 3 d b 范围内，通过多级放大，增益可达2 0 d b 以上。 二、噪声 噪声是放大器所固有的，它起因于受激载流子的随机非相干自发辐射。这 些自发辐射在光纤内传输时，也会放大。总称为放大的自发辐射( a s e ) 。它的 频带几乎占据了整个增益带宽。通常用噪声系数( n f ：n o i s ef i g u r e ) 来定量地 描述放大器的噪声性能。噪声系数定义为输入的信噪比与输出端信噪比的比值， 即 n f ：s n r , ( 1 2 ) s n r , 埘 、7 只考虑信号光的散弹噪声和信号光与a s e 之间的差拍噪声，双包层掺镱光纤放大 器( y b d o p e dd f ) 的噪声系数n f 可由下式表示： n f ( d b ) = 1 0 l 苎_ i 面l n s e + 石1 ( 1 3 ) 式中h 为普朗克常数，d 为信号光频率，g 为信号光增益，只。e 为带宽内a s e 光功率，a o 为计算噪声系数时所取得频率宽度。 三、饱和输出输入功率 在一定的泵浦功率条件下，当输入信号功率较小时，随输入信号光功率的 增大，增益基本维持不变，这种增益称为小信号增益。但是当输入信号功率增 大超过小信号工作区时，受激辐射加快，以致于减少了粒子反转数，增益将随 输入功率的增加而减小，出现增益饱和。输出饱和功率通常定义为小信号增益 跌落3 d b 时对应的输出信号光功率。饱和输出功率是放大器的一个重要参数，表 征了e d f a 的最大功率输出能力。e d f a 的饱和输出特性与泵浦功率大小、泵浦 波长以及掺铒光纤长度等有关。同样可定义饱和输入功率为小信号增益跌落或 压缩3 d b 时所对应的输入信号功率。 第一章绪论 第三节包层泵浦掺镱光纤放大器研究进展 最初，掺n ”光纤放大器的研制主要是利用单模掺杂光纤作为增益光纤， 但是这种光纤纤芯直径只有( 4 6 r u n ) ，容易产生非线性效应和损伤，限制了光纤 放大器作为高功率器件的发展趋势。1 9 8 8 年s i n t e r 等人提出了双包层光纤和包 层泵浦的思想【9 】，从而大大的提高了掺y b 3 + 光纤激光器和放大器的输出功率，但 是由于这种光纤的纤芯较小，在高峰值功率时，易出现受激拉曼散射( s r s ) ，受 激布里渊散射( s b s ) p a 及自相位调f 1 i j ( s p m ) 和四波混频( f w m ) 等非线性效应，影 响了光纤放大器的输出光束质量，信噪比等。近年来，研究者们除了把掺y b 3 + 双包层光纤作为主要增益光纤外，为了提高光束质量和激光信噪比，还利用大 模场光纤和掺y b ”光子晶体光纤作为增益介质来研究高功率光纤放大器，这也 是重要的研究趋势之一。目前关于掺y b ”光纤放大器的研究主要集中在高峰值 功率、n o 级脉冲能量输出的实验研究和在高能量光纤放大器中的非线性研究。 在实验方面，尽可能采用大模场光纤以及双包层光纤进行高功率光纤放大 器方面研究。根据所使用种子源的类型，目前主要有窄线宽高功率光纤放大器、 脉冲输出的光纤放大器等。 ( 一) 窄线宽高功率光纤放大器 窄线宽高功率激光在激光雷达、光谱学、精密测量等领域有非常广泛的应 用。与其他获得窄线宽、高功率激光的方法( 如传统的行波放大、注入锁定) 相比，光纤放大具有功率高、体积小、结构简单、可控性和输出频谱特性好等 优点。随着包层抽运技术的出现，窄线宽光纤放大器的转换效率得到大幅度提 高，在高功率和光频特性良好的激光束方面因其独特的优势而成为人们研究的 热点。 2 0 0 3 年，德国l i e m a 等报道了采用芯径为3 0 i n n 、内包层为d 型直径 4 0 0 t t r n 的大模场面积( l m a ) 双包层光纤，以及波长1 0 6 4n l i l ，线宽2 3 k h z ，其 最高输出功率为1 6 w 的种子源，当入纤抽运光为1 7 5 w ，信号光为1 6 w 时，实 验获得1 0 0 w 的单频输出，光光转换效率为6 3 1 0 】。 2 0 0 4 年，南安普顿大学的y j e o n g 等在铒镱共掺光纤中，利用注入窄线宽种 子激光的功率放大技术，在波长15 6 3 n m 处实现了窄线宽 i m h z 、光束质量m 2 = 1 7 、功率8 3 w 的窄线宽连续激光输出【l 。2 0 0 5 年，他们在纤芯直径3 0 1 a m 、 数值孔径0 2 的铒镱共掺光纤中，利用主振荡功率放大技术，实现了波长1 5 4 6 6 第一章绪论 一1 5 6 6 n m 范围内可调谐、线宽 i m h z ，斜率效率为3 3 、光束质量m 2 = 1 1 ， 功率大于1 2 5 w 的窄线宽激光输出【12 1 。实验装置如图1 2 所示。 l a 特e o r ae r o f p u m pt h f u d i o d ep u m p ，。，& y b 3 + e r r s s i c ns a j 髓9 7 5 册 图1 2 窄线宽、高功率光纤放大器的实验装置 2 0 0 8 年，m d m e r m e l s t e i n 等利用大模场面积( l m a ) 的双包层光纤，采用四 级全光纤放大，实验获得波长1 0 8 3 n m ，功率1 9 3 w 的单频输出，光光转换效率 为6 8 1 1 3 1 。 由于窄线宽激光在光纤通信、光纤传感领域的广阔应用前景，国内的多家 单位也开展了窄线宽光纤放大器方面的研究，2 0 0 6 年，北京理工大学利用分立 结构的透镜耦合，单频固体激光器作为信号光源，在掺镱双包层光纤中，实现 了输出功率6 6 5 w 、波长1 0 6 4 n m 的单频放大激光输出【l4 1 。 ( 二) 脉冲高功率光纤放大器 随着大模场面积掺杂双包层光纤和大功率半导体激光器( l d ) 的技术成熟， 高功率脉冲光纤放大器的研究也获得了飞速发展，脉冲峰值功率越来越高。脉 冲光纤放大器由于具有高光束质量、便于热管理、光纤输出、结构紧凑等优势， 正广泛运用于精密加工、材料处理、医疗、激光雷达、太空通信等领域，高可 靠性的脉冲光纤放大器已成为应用研究的重点。国外主要有英国的南安普顿大 学光电研究中心、德国耶拿大学应用物理研究所、美国密歇根州大学和美国的 i p g 公司等对此进行了相关研究。 2 0 0 2 年，德国l i m p e r tj 掣1 5 】报道了利用m o p a 技术获得纳秒脉冲的方法。 如图1 3 所示：利用调q 激光器作种子源，平均功率为6 w ，重复频率3 - 5 0 k h z ， 脉冲宽度7 0 3 0 0 n s ，最大单脉冲能量0 6 m j 。所用光纤是长2 5 m 的大模场面积 光纤，纤芯直径3 0 1 a m ：内包层为d 型，直径4 0 0 p m 。抽运源为中心波长9 7 6 n m 的半导体激光器( l d ) ，通过一个4 5 0 双色片将抽运光从双包层光纤的一端耦合进 7 第一章绪论 入双包层光纤的内包层，种子光从另一端耦合进入双包层光纤的纤芯。采用上 述方法，在1 0 6 4 n m 处实现了最大平均功率1 0 0 w 的激光输出，光光转换效率 为7 1 ，重复频率5 0 k h z ，单脉冲能量2 m j ，脉冲宽度8 0 n s ，脉冲占空比为4 1 0 一。 重复频率为3 k h z 时，单脉冲能量4 r n j ，脉宽压缩为5 0 n s 。 琵， “。9 锄 激光 输出 图1 3 脉冲光纤放大器的实验装置图 2 0 0 5 年，美国密西根大学用调制的半导体激光器作为脉冲种子光源，在多 级脉冲放大的结构中，实现了10 6 4 n m 的巨脉冲能量输出，装置如图1 4 所示【l6 】： 该实验在放大级间插入声光调制器和带通滤波器是为了抑制光纤产生的放大自 发辐射光( a s e ) ，从而放大得到干净的脉冲激光输出。经过两级单模光纤预放 大，激光的单脉冲能量由1 0 3 0 n j 放大到约3 8 9 j 。再经过两个纤芯直径分别为 5 0 9 m 、2 0 0 m 的功率放大级后，实现了巨脉冲能量的激光输出：重复频率小于 1 0 0 h z ，脉宽5 0 0 n s 时的脉冲能量高达8 2 m j ，脉冲占空比为5 1 0 ；脉宽5 0 n s 时， 脉冲能量为2 7 m j ( 对应的重复频率为2 5 h z ) ；脉宽4 n s 时，脉冲能量为9 6 m j ，脉冲 峰值功率为2 4 兆瓦。 图1 4 多级脉冲光纤放大器的实验装置图 2 0 0 5 年，f d t e o d i r o 利用双包层掺镱的光子晶体光纤作为脉冲放大的增益 光纤，实现了脉冲宽度4 5 0 p s 、脉冲能量o 7 r n j 、峰值功率1 5 兆瓦、近衍射极 第一章绪论 限( m 2 = 1 0 5 ) 的脉冲激光输出。接着，他们又利用直径1 4 0 9 m 的多模镱纤放 大该输出激光，实现了4 5 兆瓦的高能量脉冲激光输出【川。 2 0 0 6 年，英国南安普顿大学光电研究中心以增益可调的单纵模l d 为种子源， 采用四级光纤放大方式，在1 0 6 4 n m 处获得了平均功率超过3 0 0w 的脉冲激光输 出，脉宽2 0 p s ，脉冲占空比为2 1 0 一，m 2 为2 4 t 1 引。如图1 5 所示： 图1 5 高平均功率皮秒级脉冲光纤放大器 2 0 0 7 年a g a l v a n a u s k a s 又将1 1 0 n s 脉宽的种子脉冲信号经双级单模前置放大 后，级联两级l m a 掺镱光纤放大器，获得了m 2 约为1 3 ，峰值功率超过5 m w 的 脉冲输出【1 9 】。 近几年，国内一些单位也开展了脉冲放大光纤放大器的研究。目前主要的 研究单位有中科院上海光机所、清华大学、南开大学、天津大学、中国电子科 技集团第十一所和中科院西安光机所等，对m o p a 方式的脉冲光纤放大器进行 了理论和实验研究，并取得了重要进展。 2 0 0 6 年南开大学郭占城等人利用n u f e m 公司生产的长度约为1 1m 的大模 面积( l m a ) 掺镱双包层光纤( 其芯径2 0 p x n ，数值孔径为0 0 6 ) ，将1 6 m w 的 种子光放大到1 6 1 w ，放大后的3 d b 线宽为0 0 2 7 n m ，保持了输入信号光的优良 光谱特性。实验中为了消除端面的菲涅尔反射，l m a 光纤的两端磨制了约1 3 0 的倾角，实验结构如图1 6 所示【2 0 1 。 9 第一章绪论 予皇毫笋i 掺镱双包层光纤 - - - 巾f 乇冠 j ( f u 1 l ； 7 f 詈r 图1 6 两端磨成1 3 0 角的大模面积掺镱双包层光纤放大器实验装置图 2 0 0 8 年，天津大学对国产掺镱( y b 3 + ) 双包层大模场面积光纤超短脉冲放大 器进行了系统的实验研究。以自己搭建的脉冲宽度为2 3p s ，重复频率为9 5m h z 的全固态锁模激光器作为种子源，以9 7 6n l t l 大功率光纤耦合激光二极管为抽运 源，以1 6m 国产掺y b ”双包层大模场面积光纤为增益介质，在1 1 2w 的入纤 抽运功率下，将平均功率为1 0 0m w 的脉冲种子光放大到平均功率2 4 1w ，单脉 冲能量达到了2 5n j 2 1 1 。 综上所述，当前高功率光纤激光器、放大器的实验研究主要采用的还是分 立元器件设计，高功率光纤激光器、放大器全光纤化设计的实验方案较少。但 是采用分立元器件设计的实验方案不利于提高器件的稳定性，因此全光纤化实 验方案引起了人们的广泛关注，本文正是在全光纤条件下开展纳秒脉冲光纤放 大器的研究工作。 第四节包层泵浦掺镱光纤放大器中的关键技术 1 4 1 光纤研制技术 双包层光纤的出现无疑是光纤领域的一大突破，它使得高功率的光纤激光 器和高功率的光放大器的制作成为现实。自1 9 8 8 年e s n i t z e r 首次描述包层泵浦 光纤激光器以来【9 1 ，包层泵浦技术已被广泛地应用到光纤激光器和光纤放大器等 领域，成为制作高功率光纤激光器的首选途径。 双包层光纤是一种特殊结构的光纤，其结构如图1 7 所示，光纤由纤芯、内 包层、外包层和保护层组成。纤芯中掺杂稀土元素作为激光介质，为保证输出 激光是基横模，纤芯的尺寸根据激射波长设计。内包层的折射率低于纤芯的折 1 0 第一章绪论 射率，激射激光被限制在纤芯内传播，而外包层的折射率又低于内包层的折射 率，这样可以将泵浦光限制在内包层内传播。 内包层 图1 7 双包层掺杂光纤的结构简刚2 6 1 包层泵浦技术的核心是如何最大限度的提高包层中传输的泵浦光对纤芯中 的掺杂激光介质的泵浦效率。双包层光纤的结构、内包层的形状、泵浦光耦合 方式等是这项技术的关键所在1 2 引。 为了使内包层既起到单模纤芯的低折射率包层的作用，同时又成为传输 大功率多模泵浦光的通道，关键在于选择一种低折射率而且物理特性合适的 材料做外包层。通常双包层光纤要求内包层具有大的数值孔径( n a ) 和大 的几何尺寸，这对于多模泵浦光的耦合将十分有利。因此，对外包层材料的 要求首先是折射率应低于内包层，另外还要有低弹性模量、宽的抗弯曲温度 范围。光纤的最外层为保护层，一般选用涂料的折射率高于外包层的折射率， 这样可以将外包层内传输的光尽快地泄漏掉，以免对光纤造成热损耗。保护 层具有较高的杨氏模量，可以对光纤起到机械保护作用。 有时为了追求更大的输出功率也将光纤设计为具有较大的纤芯面积，激光 器工作在多横模状态。在设计双包层光纤时，为方便多模的高功率泵光耦合入 纤，内包层与纤芯的面积比越高越有利，但是这个比值太高会降低器件的效率， 一般内包层与纤芯的横截面积比选在1 0 0 左右最佳【2 3 1 。泵浦光在内包层传导时， 多次穿越纤芯，激发掺杂的稀土离子发射激光。 内包层的形状对于双包层光纤对泵浦光的吸收效率具有非常大的影响【2 4 ， 2 5 。最初的双包层光纤内包层为圆对称的，它的制作工艺相对简单，也易于与泵 浦l d 的尾纤相耦合连接，但是圆对称特性会使内包层中大量的泵浦光成为螺旋 光，在传输的过程中不经过掺杂纤芯，从而大大降低了对泵浦光的利用效率。 为了提高对泵浦光的利用效率，并考虑到与具体的泵源形式相匹配，近几年来 人们开发出了多种内包层截面形状的双包层光纤，用于双包层光纤激光器的研 第一章绪论 制工作。图1 8 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。 图1 8 几种常见双包层光纤截面图【2 6 j 对于常规的双包层光纤激光器、放大器，一般采用大模面积光纤以避免由 于纤芯中光强过大而造成的损伤，但是为了保持单模又需要在增大纤芯尺寸的 同时，减小数值孔径，这样就使弯曲损耗增大。而且纤芯尺寸和数值孔径的极 值还要受到折射率差的精确控制的限制，从而限制了常规双包光纤激光器、放 大器的发展。光子晶体光纤则从另一途径解决了这一限制。 光子晶体光纤的波导性质在很大程度上依赖于它的包层结构如图1 9 ，改变 气孔的尺寸和间距就可以方便地改变光纤的导波性质，具有很大的设计自由度， 因而具有许多传统光纤难以实现的诸多优良特性，使得其在光纤器件的应用中 显示着巨大的发展潜力。在光子晶体光纤的纤芯中掺入稀土元素，可以制成光 纤激光器、放大器等有源器件。利用光子晶体光纤可以灵活设计的模场特性， 改变传导模式和有源介质之间的相互作用，可以制造适用于不同要求的激光器。 特别是光子晶体光纤与包层泵浦技术结合，为高光束质量、高功率光纤激光器 的进一步提高提供了条件。通过提高外包层的空气填充比就可增大外包层与内 包层的相对折射率差，从而增大光纤内包层的数值孔径；通过增大气孔间 黝和减小气孔直径d 都可以获得大的模场面积。因而基于光子晶体光纤的双包 层光纤利用了光子晶体光纤的结构优势，利用空气孔层作为光纤的内包层，在 折射率调制上非常便利，可以具有更大的模场面积和更大的内包层数值孔径， 从而避免由于高功率和放大自发辐射所产生的非线性效应和效率降低，并提高 泵浦光的耦合效率。 第一章绪论 羹攀滤i ， 图19 具有双包层结构的稀土掺杂光子晶体光纤 1 4 2 泵浦耦合技术1 2 6 i 将泵浦光高效地泵浦入双包层光纤的内包层是双包层光纤放大器的关键技 术之一，双包层光纤内包层的尺寸和数值孔径决定了内包层可以传输的泵浦光 功率。以边长为d 型的正方形内包层为例，内包层横截面积d2 和数值孔径n a 决定内包层传输的光功率，计算公式如式( 14 ) p = 4 b d 2x n a 2 f l4 1 式中，b 表示泵浦光亮度，例如当b - - 1 m w c m 2 _ ，n a = o 5 ，d = 3 0 0 9 m 时可输入1 k w 。 可见对于一定内包层尺寸，加大n a 有利于输入更大的泵浦光功率，因此， 对于高功率光纤放大器所需的双包层光纤，内外包层折射率差越大越有利。另 外，为使泵浦光容易输八，d 宜大，但是纤芯对泵浦光的吸收长度将随( d ，d ) 2 增 加而增大。由于吸收损失，吸收长度也不宜过长，d 不宜过大。 由于包层可以传输的泵浦光功率公式可知，对于一定的双包层光纤，其内 包层可传输的光功率依赖于泵浦半导体柬的亮度。将泵浦光泵浦入内包层有多 种技术如下： ( 一) 端面耦