共振泵浦掺钕双包层保偏光纤激光器研究

1、共振泵浦掺钕双包层保偏光纤激光器研究 天津大学硕士学位论文共振泵浦掺钕双包层 保偏 光纤激光器的研究 Research on In-band pumped Nd-doped double-clad polarization maintaining fiber laser学科专业:光电子技术 研 究 生:史春鹏 指导教师:丁欣 教授天津大学精密仪器与光电子技术学院 二零一二年十一月独创性声明本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作和取得的研究成果,除了文中特别加以标注和致谢之处外,论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果,也不包含为获得 天 津大 学 或其他教育机构的学位或证

2、书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示了谢意。学位论文作者签名: 签字日期: 年 月 日学位论文版权使用授权书本学位论文作者完全了解 天 津 大学 有关保留、使用学位论文的规定。特授权 天 津 大 学 可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索,并采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编以供查阅和借阅。同意学校向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘。 (保密的学位论文在解密后适用本授权说明) 学位论文作者签名: 导师签名:签字日期:年 月 日 签字日期:年 月 日中 文 摘 要近红外 1.06微米波段激光是最早被研究的激光波长之

3、一,该波长在激光测距、医学科学研究、光谱研究、生命科学研究、激光加工、天文学研究以及国防军事工业等诸多方面都具有重要的应用价值。共振泵浦(包括直接泵浦和热助推泵浦)掺钕双包层光纤激光器具有输出功率高、光束质量好、散热性良好以及结构紧凑等优势,是优良的 1.06微米激光光源。 本论文分析并实验研究了 880nm直接泵浦掺钕双包层保偏光纤激光器和888nm热助推泵浦掺钕双包层保偏光纤激光器在 1.06微米处的输出特性,并与808nm传统泵浦掺钕双包层保偏光纤激光器的输出特性进行比较,显示了共振泵浦技术的优越性。论文主要内容及创新点归纳如下: 1. 分析双包层光纤的结构,理论说明了内包层形状对泵浦光

4、吸收效率的影响以及双包层光纤激光器的工作原理;阐述了双包层光纤激光器的各种泵浦耦合技术并比较彼此的优势;介绍了双包层光纤激光器的实用腔型。 2. 分析掺钕光纤能级结构,由四能级速率方程推导出传统泵浦掺钕双包层光纤激光器和共振泵浦掺钕双包层光纤激光器中腔参数对输出特性的影响,确定了实验用光纤长度并计算了掺钕双包层光纤激光器中的热量情况。 3. 实验研究了 880nm直接泵浦掺钕双包层保偏光纤激光器的输出特性,在最m激光输出,相对吸收泵浦功率的阈值和整体斜率效率分别为 73mW和 60.19%,优于传统泵浦方式的 80mW阈值功率和 52.96%斜率效率。 4. 实验研究了 888nm热助推泵浦掺

5、钕双包层保偏光纤激光器的输出特性,在最大耦合功率为 11.28W的情况下,光纤吸收功率为 5.1W,对应 3W的m激光输出,相对吸收泵浦功率的阈值和整体斜率效率分别为 70mW和 60.93%,优于传统泵浦方式和直接泵浦方式。 5. 实验对该光纤激光器系统的偏振特性进行了测量,三种泵浦方式下的偏振度分别为 0.818,0.796和 0.812,验证了该系统具有较好的保偏特性。关 键 词 :共振泵浦 直接泵浦 热助推泵浦 掺钕双包层光纤 近红外 偏振保持ABSTRACT The 1.06m near-infrared region laser is one of the earliest res

6、earched wavelengths in laser field. It could be wildly used in laser ranging, medical science research, optical spectrum research, life science research, laser processing, astronomy research, defense & military industry and many other fields. In-band pumped include direct pumped and thermally bo

7、osted pumped Nd-doped double clad fiber laser is the high quality 1.06m laser source as its features of high output power, super beam quality, excellent heat dissipation and compact structureIn this dissertation, we analyzed and experimental researched the 1.06m output performance of the 880nm direc

8、t pumped and 888nm thermally boosted pumped Nd-doped double clad polarization maintaining fiber lasers and compared the output performance with 808nm traditional pumped Nd-doped double clad polarization maintaining fiber laser to show the superiority of the in-band pumped methodThe main contents are

9、 as follow: 1. Analyzed the inner structure of the double clad fiber and the working principle of the double clad fiber laser; Illustrated how the inner clad shape affects the pump lights absorption efficiency; Described several pump lights coupling methods and compared their advantages. Introduced

10、the practical cavities of double clad fiber laser2. Analyzed the Nd-doped fibers energy level structure; Utilizing the four-level system, we deduced the output performance of the 808nm traditional pumped and in-band pumped Nd-doped double clad fiber lasers, determined the optimized fiber length in e

11、xperiment and calculated the heat generation of the laser systems3. The output performance of the 880nm direct pumped Nd-doped double clad polarization maintaining fiber laser was experimental researched. The imum output power of 4.61W was obtained while the 13.85W pump power was coupled in the fibe

12、r and 7.85W pump power was absorbed by the fiber core, with a low threshold power of 73mW and a conversion efficiency of 60.19%, which performed better than the 808nm traditional pumped method whose showed a threshold power of approximately 80mW and a conversion efficiency of 52.96% 4. The output pe

13、rformance of the 888nm thermally boosted pumped Nd-dopeddouble clad polarization maintaining fiber laser was experimental researched. The imum output power of 3W was obtained while the 11.28W pump power was coupled in the fiber and 5.1W pump power was absorbed by the fiber core, also with a low thre

14、shold power of 70mW and a relatively high conversion efficiency of 60.93%, which performed better than traditional pumped method and direct pumped method5. The polarization performance of this fiber laser system was measured. The degrees of polarization of three different pumped schemes were 0.818,

15、0.796 and 0.812 respectively, which indicated good polarization maintaining property of the laser systemKEY WORDS :in-band pumped, direct pumped, thermally boosted pumped, Nd-doped double clad fiber, near-infrared, polarization maintaining目 录第一 章 绪论? 1 1.1 共振泵浦技术介绍 ? 1 1.2 掺钕光纤激光器的发展与现状 ? 2 1.3 光纤激光

16、器的特点与应用 ? 9 1.4 论文研究内容 ? 10 第二 章 掺钕 光纤能级特性 与共振泵浦 技术 ? 12 2.1 掺钕光纤的能级结构与共振泵浦技术? 12 2.2 掺钕光纤激光器系统与掺镱光纤激光器系统的比较? 16 第三 章 双包 层光纤激光器 的结构与工 作原理 ? 19 3.1 双包层光纤激光器的结构与工作原理 ? 19 3.1.1 双包层光纤的结构特性? 19 3.1.2 内包层形状对泵浦光吸收的影响 ? 20 3.1.3 双包层光纤激光器的工作原理 ? 26 3.2 双包层光纤激光器的泵浦耦合方式 ? 27 3.2.1 双包层光纤激光器端面泵浦耦合技术? 27 3.2.2 双

17、包层光纤激光器侧面泵浦耦合技术? 29 3.3 双包层光纤激光器的谐振腔类型? 33 3.3.1 线形腔结构双包层光纤激光器 ? 33 3.3.2 环形腔结构双包层光纤激光器 ? 34 第四 章 掺钕 双包层光纤激 光器的数值 模拟 ? 36 4.1 光纤激光器系统的速率方程 ? 36 4.2 双包层光纤激光器的数值模拟 ? 41 4.2.1光纤激光器系统中各参数对光纤激光器阈值的影响? 41 4.2.2 泵浦光功率和信号光功率沿光纤的分布 ? 43 4.2.3 光纤激光器系统中各参数对激光器输出功率的影响? 46 4.2.4 掺钕双包层光纤激光器的热量分析与计算 ? 49 第五 章 掺钕 双

18、包层 保偏 光 纤 激光器的 实验研究? 53 5.1 掺钕双包层保偏光纤激光器的实验准备 ? 53 5.1.1 光纤端面的处理? 535.1.2 半导体激光器泵浦源的输出特性? 54 5.1.3 实验系统耦合效率的测量 ? 58 5.2 掺钕双包层保偏光纤激光器实验研究 ? 60 m输出实验 ? 60 m输出实验 ? 62 m输出实验 ? 63 5.2.4 实验结果分析比较? 63 本章小结 ? 72 全文 总结? 73 参考 文献? 74 发表 论文和参加科 研情况说明? 79 致 谢? 81第一章 绪论 第一章 绪论 1.1 共振泵浦技术介绍 传统泵浦方式的掺钕固体激光器是使用 808

19、nm光源泵浦掺钕激光晶体发射1m激光。由于掺钕增益介质在 808nm处存在很大吸收截面 ,这种泵浦方式长久以来被用于掺钕离子固体激光器。但与此同时,这种泵浦方式存在着产热量高的问题,热量的沉积严重的影响了激光器的输出功率、斜率效率和光束质量2等输出特性 。究其内在原因,一方面是由于泵浦光光子与信号光光子之间存在量子缺陷,即势必以高能量的泵浦光光子的消耗来换取低能量的信号光光子的产生;另一方面,是处于高能级的钕离子不能够百分之百的跃迁到激光上能级。为解决上述问题,人们提出了共振泵浦技术的概念。如图 1-1所示,与 808nm传统泵浦技术相比,共振泵浦技术的精髓在于利用对应掺杂粒子吸收峰的长波长泵

20、浦光将粒子由基态能级直接泵浦到激光上能级,粒子再由激光上能级跃迁至激光下能级并发射光子。由于不存在粒子由高能级到激光上能级的无辐射跃迁过程,共振泵浦技术从根本上消除了这一部分热量的产生,与此同时,共振泵浦技术所采用的泵浦光波长较传统泵浦技术所采用的泵浦光波长要长,更接近信号光波长,从而从本质上降低了量子缺陷。可见,共振泵浦技术是解决热量的产生而提高激光器输出功率、斜率效率和改进光束质量的根本性方法。图 1-1a 传统泵浦方式跃迁示意图图 1-1b 共振泵浦方式跃迁示意图图 1-1 传统泵浦方式与共振泵浦方式的能级跃迁示意图根据粒子初始所处的基态斯塔克能级位置的不同,可以将共振泵浦技术分为1 第

21、一章 绪论 直接泵浦技术和热助推泵浦技术。由于斯塔克效应的存在,粒子的各个能级并不是单纯的一条谱线,而是分裂为若干个子能级。直接泵浦技术是将处于基态最低斯塔克能级的粒子泵浦到激光上能级的泵浦技术;而热助推泵浦技术是将处于非基态最低斯塔克能级的粒子(粒子通过热激励由最低斯塔克能级达到非最低斯塔克能级)泵浦到激光上能级的技术; 3早在 Nd:YAG激光器发明不久的 1968年,Ross等人 就提出了采用 869nm泵浦光端面泵浦 Nd:YAG晶体的直接泵浦技术。到了 20世纪 90年代末,随着钛宝石激光器泵浦源的应用和半导体激光器技术的完善,共振泵浦技术受到广泛的4 5重视。多年的实验表明,共振泵

22、浦的固体激光器在斜率效率 ,产热量 方面均优于传统泵浦技术。现如今共振泵浦技术已经成为固体激光器实现高功率、高效率、高光束质量运转的有效、实用泵浦技术。 1.2 掺钕光纤激光器的发展与现状 1960年,西奥多?哈罗德?梅曼发明了人类历史上第一台激光器?红宝石激光器,此后,各种媒质的激光器相继被科研工作者所研究、发明。现如今,已经实现了固体激光器、半导体激光器、光纤激光器、气体激光器、染料激光器以及准离子激光器等多种介质的激光运转,而光纤激光器由于其结构紧凑、散热性好,高功率以及高光束质量等优势,逐渐成为激光器领域中的焦点,被称为二十一世纪初最伟大的发明之一。 6光纤激光器诞生于 1961年 ,

23、这一年美国光学公司的 E. Snitzer等人采用闪光灯泵浦光纤芯径约为 304m处的受激辐射现象,这是世界上最早的关于光纤激光器研究的报道,而最早期的光纤激光器方面的研究工作主要由 E. Snitzer与其助手完成的。 71964年 , E. Snitzer与 C. J. Koester研究了掺钕玻璃光纤激光器当中的受激放大现象,实验当中使用的信号源为掺钕玻璃激光棒产生的 1.06 微米激光,放大介质为低折射率纤芯的单包层掺钕玻璃光纤,光纤长度为 1 米,光纤芯径为10 微米且钕离子掺杂浓度为 2.5%,包层直径为 0.75 到 1.5 毫米。此外,实验还对光纤出射端面做 10°切

24、割处理,防止了光纤端面对信号光的反射形成激光振荡情况的出现。实验证明放大效果与泵浦光的能量以及泵浦光的脉宽有光,获得的4增益系数高达 5×10 。8m 和m处的激光现象,阈值低于 2mW。次年,J. Stone 和 C. A. Burrus两人又2 第一章 绪论 报道了室温下连续运转的掺钕光纤激光器,实验首次使用砷化镓半导体激光器端面泵浦 1 厘米长掺钕光纤介质,光纤芯径为 35 微米,泵浦波长为 880nm,激光阈值为 200 微瓦;实验还采用了 514.5nm 氩离子激光器端面泵浦掺钕光纤,在140mW入射泵浦光下获得了室温中 10mW的 1.06微米连续激光输出,阈值泵浦功率仅

25、为 11mW。 此后的相当一段长时间里,由于受到光纤制造工艺,泵浦源的改进等方面的制约,光纤激光器的研究一度停滞而缺乏进展。直到 20世纪 80年代,随着光纤器件在通信领域应用的快速扩展,光纤理论的革新与光纤拉制技术的改进,以及紧凑廉价型、高功率 LD生产技术逐渐成熟和稳定,科研工作者们开始了新一轮光纤激光器的研究。 9英国南安普顿大学的 D. N. Payne和他的助手们作为先行者,于 1985年 首次报道了 GaAlAs半导体激光器泵浦的连续运转二氧化硅基质的单模掺钕光纤激光器,在 820nmGaAlAs半导体激光器泵浦的法布里-珀罗腔光纤激光器实验中,得到了 20mW 的 1088nm

26、激光输出,其阈值泵浦功率仅为 100W,极易产生激光振荡输出;本文还提出了掺钕全光纤环形腔的实验方案,利用 595nm 染料激光器泵浦的掺钕环形光纤,在 20mW吸收泵浦功率下,得到 2mW的 1078nm激光输出,其阈值功率低于 5mW。他们的实验揭示了二氧化硅基质光纤激光器具有高光光转换效率的潜力。同年,该实验小组成员使用自主研究和生产的掺稀土离子单模光纤,搭建光纤激光器实现激光振荡输出,进一步论证了低掺杂低损耗二氧化硅基质光纤激光器的可行性。 101986年,D. N. Payne小组的 L. Reekie 在可调谐单模光纤激光器一文中提出了可调谐的三能级掺钕光纤激光器的概念,调谐范围达

27、到 80nm。文章同时也对掺铒离子可调谐光纤激光器做了相关的报道。 11同年,I. P. Alcock等人 利用 590nm染料激光器泵浦掺钕光纤,分别实现了室温中掺钕单模光纤激光器的三能级和四能级可调谐连续输出运转。在 900nm波段的可调谐范围为 45nm,激光线宽仅为 0.06nm,在吸收 53mW泵浦功率时的输出功率为 3mW;在 1070nm波段的可调谐范围为 65nm,在吸收 35mW泵浦功率时的输出功率为 2mW,两个波段的斜率效率分别为 5.66%和 5.71%。 121987 年 ,NTT 电子通讯实验室的 M.SHIMIZU 和 H.SUDA 等人使用 LD泵浦长度为 10

28、m的掺钕二氧化硅单模光纤,获得了 4.1mW的 1088nm激光输出,激光发射谱宽为 6nm,阈值泵浦功率为 1.51mW。由于改进了激光器谐振腔,本实验获得了 55%的高斜率效率。此外,M.SHIMIZU 等人在本文中还对长光纤(200m)激光器进行了相应的实验研究,其阈值泵浦功率为 4.59mW,斜率效率为 14.6%。3 第一章 绪论 1988 年对于光纤激光器来讲是极具意义的一年,在这一年美国 E.Snitzer 和13H. Po 等人提出了双包层光纤的概念 并成功研制掺钕双包层光纤,使得泵浦光不再局限于在纤芯中传输,而是可以在几十倍于纤芯面积的内包层之中以更大的角度传输。这种结构的光

29、纤允许了廉价紧凑的多模激光器充当光纤激光器的泵浦源,同时大大提高了增益光纤的吸收效率和输出功率,从此光纤激光器的输出功率逐渐可与固体激光器相比较。 141993年 ,H. Po 等人报道了自主制备的掺钕双包层光纤激光器,他们使用807nm 光纤耦合输出多模半导体激光器泵浦单模掺钕双包层增益光纤,在约9.8W 的泵浦功率下,得到了 5W 的高功率 1064nm 连续激光运转,这是当时此类光纤最高的输出功率,实验中的斜率效率也高达 51%。由于实验中使用的是传统的 F-P 腔,得到了 1059nm、1072nm以及 1094nm三处线宽约为 10nm的激光m,内包层形状为矩形,2尺寸为 100&#

30、215;300m 。 15同年,/.r 等人 首次报道了利用可移动的反射镜作为被动锁模启动元件的掺钕锁模光纤激光器。脉冲宽度仅为 42fs,单脉冲能量高达 1nJ。 161994年,J. S. Wang等人 报道了 1061nm激光运转的掺钕亚碲酸盐玻璃光纤激光器,这是科研人员首次研究亚碲酸盐单模光纤激光器。实验中使用 818nm钛宝石激光器作为泵浦源,掺钕亚碲酸盐玻璃光纤作为增益介质,光纤双端直接切割形成 11.9%菲涅尔反射作为谐振腔镜,获得了单端输出 23%的斜率效率,阈值泵浦光功率为 27mW。 171995 年,德国的 H. Zellmer 等人 进一步提高了掺钕光纤激光器的输出功率

31、。他们利用 810nm半导体激光器系统泵浦掺钕双包层光纤,在 35W泵浦功率m 高功率激光输出,斜率效率为 26%,阈值泵浦功率小于 10mW。 18同年, M. Hofer等人 首次提出使用啁啾光纤布拉格光栅作为色散补偿元件搭建自启动被动锁模掺钕光纤激光器。获得了重复频率 52MHz,脉宽 6ps,单脉冲能量高达 1.25nJ的锁模脉冲输出。 1996 年,M. Hofer 等人报道了宽调谐的掺钕飞秒光纤激光器,脉冲宽度为300400fs量级,调谐范围超过 75nm。次年,M.Hofer等人报道了 920nm掺钕飞秒光纤激光器,单脉冲能量为 500pJ,脉冲宽度低至 53fs。 191998

32、年,德国的 Peter Glas和 Martin Naumann等人 研究对比了传统双包层光纤激光器和 M型光纤激光器中泵浦光的模场分布情况,证明了 M型光纤对泵浦光具有更高的吸收效率。并在实验中利用 190cm长的 M 型掺钕光纤实现了近 10W的 1050nm激光输出,斜率效率达到了 54%。4 第一章 绪论 201999年,M.Hofer等人 报道了 1065nm高能量掺钕亚皮秒光纤激光器,在17MHz的重复频率下,得到输出脉宽为 940fs,单脉冲能量达到 4nJ。 212001年,B. N. Samson和 P. A. Tick等人 研制高效掺钕玻璃陶瓷光纤激光器和放大器,通过研制高

33、效玻璃陶瓷光纤激光器,测试得到其斜率效率为 30%。单模光纤的核心内由于嵌入掺钕氟化物晶体而受到了影响。钕离子极大地改变陶瓷工艺,突出的透明玻璃陶瓷材料为基础的新的光学器件将具有巨大的发展潜力。 222002年,德国的 P. Glas和 D. Fischer报道了 包层泵浦的大模场面积掺钕多孔光纤激光器。实验中所使用的光纤截面结构如图 1-2所示,掺钕离子纤芯被放置于微结构多孔包层中,包层纤芯面积比达到 30:1,光纤长度只有 38cm。实验中使用的光源 805nm半导体激光器,得到约 10mW的 1060nm激光输出。实验证明了这种光纤结构更有利于掺钕离子对泵浦光的吸收,具有一定的应用价值。

34、图 1-2 微结构光纤截面示意图232005年, L. B. Fu等人 设计了紧凑式的反向泵浦可调谐掺钕双包层光纤激光器(图 1-3),实验为了取得三能级激光运行模式,采用了 W型折射率光纤。在全反射端利用光纤布拉格光纤进行调谐,获得了 920nm处近 15nm的调谐输出。其中在 926.7nm 处获得了最大激光输出,达到 810mW 的,此时的斜率效率为49.3%。5 第一章 绪论图 1-3 反向泵浦可调谐掺钕双包层光纤激光器242006年,英国巴斯大学的 A. Wang,A. K. George等人 使用掺钕光子带隙光纤来抑制四能级跃迁,构建了 808nm 半导体激光器泵浦的三能级跃迁机制

35、掺钕光纤激光器,阈值泵浦功率为 70mW,在 907nm 发射波长处获得了 32%的斜率效率。 2008年,波兰的 J. Szela等人报道了掺钕双包层保偏光纤激光器的研究,验证了不同缠绕方式对激光器输出功率的影响,并获得了 32%的斜率效率。 2009年, R. Sims等人报道了二极管泵浦的非常大纤芯单模掺钕光纤激光器,光纤芯径达到了 300微米,实验中观察到了纤芯当中的单横模激光运转,斜率效2率为 4.5%,并获得了 M 1.05高质量输出光束。 2011年,日本的 M. Murakami等人报道了 4cm短腔单横模掺钕石英光纤激光器,实验利用 804nm单模半导体激光器泵浦掺钕石英光纤

36、,在 170mW泵浦功率下获得了 1.99mW 的连续激光输出,斜率效率为 1.39%,阈值泵浦功率为24.2mW。 我国在激光器方面的研究基本紧跟了国际先进水平的步伐,但在掺钕光纤激光器实验研究方面起步较晚,直到 20世纪 90年代才逐渐的得到科研人员的重视,在 20余年的研究中,我国的科研人员也获得了一些成果。 251990 年,西安交通大学的陈光德和龚华仁 使用 514.5nm 氩离子激光器泵浦 5 米长的掺钕单模光纤(掺钕浓度 300ppm),实验中得到了最高 4.1mW 的1088nm连续激光输出。阈值功率为 0.28mW,斜率效率达到了 11.5%。 261997年,周稳观等人 使

37、用发射 810nm附近的激光的激光二极管阵列作为泵浦源,泵浦 30米长的掺钕方形双包层光纤(掺 Nd O 浓度为 0.5%质量)。在2 3m激光输出,阈值泵浦功率约为 500mW。 272003年,南开大学樊亚仙等人 使用 808nmLD泵浦掺钕双包层光纤,实现了掺钕光纤激光器的窄线宽调 Q运转。实验用光纤为 16米长 D形双包层掺钕光6 第一章 绪论 纤,掺杂浓度为 0.13mol%,实验中该光纤最大吸收泵浦功率为 3W。实验采用Littrow结构的体光栅与全反镜构成激光谐振腔,声光 Q开关作为调 Q元件,实现了 1064nm处的激光脉冲输出,重复频率 110KHz可调,在 1KHz重复频率

38、下的激光脉冲宽度为 800ns,单脉冲能量为 180J,平均功率 180mW,峰值功率达到了 225W,由于采用体光栅作为选频元件,输出激光线宽仅为 0.08nm。 282006年,天津大学姚建铨等人 报道了掺钕双包层熊猫型保偏光纤激光器,实验采用 F-P平平腔,光纤长度为 14米,芯径为 5m。在入纤功率为 14W的条件下,获得了 7.35W的激光输出,斜率效率达到 52.5%,本文还就光纤弯曲形状和曲率对激光器输出功率和偏振度的影响进行了实验验证。 292007年,天津大学任广军等人 利用 808nmLD泵浦掺钕双包层熊猫型保偏光纤,获得了 1060nm和 1092nm处两个发射峰。实验中

39、使用二色镜与垂直切割的光纤端面(自身带有 4%菲涅尔反射)构成光纤激光器的 F-P 谐振腔,光纤长度为 14米,在当时现有泵浦功率下,获得了 1060nm处 7.5W激光输出功率,斜率效率达到了 56%。图 1-4 掺钕光纤激光器发射光谱示意图302008 年,上海光机所的唐玉龙 等人利用 LD 侧面泵浦长度为 4cm 的掺钕双包层光纤,获得了平均功率为 lW、斜率效率为 10%的激光输出。实验中所使×0.5mm的矩形,纤芯数值孔径达到 0.2。 由于钕离子 1.06 微米激光发射为四能级机制,使得掺钕双包层光纤激光器在能级结构稳定性,低阈值等方面与其他激光器相比表现出较大的优势,但

40、由于掺钕双包层光纤激光器通常采用的泵浦源为 808nm 激光器,使得其存在着本质的高泵浦光-信号光量子缺陷,从而影响了掺钕光纤激光器的输出功率和斜率效率。20世纪 80年代以来,随着双包层光纤技术的提出以及 915nm、976nm半导7 第一章 绪论 体激光器工艺的提升和完善,掺镱光纤激光器在输出功率和斜率效率方面都展现了极大的优势,从而逐渐主导了 1.06微米光纤激光器市场。 311995 年,/.k 等人 首次报道了掺镱双包层石英光纤激光器,利用975nm光源包层泵浦掺镱光纤,获得了 500mW 的 1040nm 连续激光输出,斜率效率高达 80%。 321997年, Lucent 公司的

41、 Kosinki和 Inniss 等人 报道了一种星形内包层掺镱光纤激光器,输出功率高达 20W。 331999 年,SDL 公司的 V. Dominic 等人 使用 4 个 45W 的半导体激光器双端泵浦掺镱双包层光纤激光器,得到 1120nm波长处 110W的激光输出,斜率效率为 61.1%,光光转换效率达到 58%。 342002 年,德国的 J. Limpert 等人 报道了双波长半导体激光器(808nm 和975nm)共同泵浦钕镱共掺光纤激光器的研究,在 45m光纤长度条件下,获得了150W的激光输出。IPG公司报道了 2kW的多模高功率掺镱双包层光纤激光器,同年 IPG公司又报道了

42、掺镱双包层光纤激光器 10KW的多模连续激光输出。 352003 年,德国 V.Reichel 等人和英国南安普顿大学 相继报道了 200W 和272W 的单模输出掺镱光纤激光器。IPG 公司和 SPI 公司也分别报道了 300W 和610W的商用单模掺镱光纤激光器。 362004年,英国南安普顿大学的 Y. Jeong等人 利用半导体激光器双端泵浦掺镱光纤,获得 1000W 的激光输出,斜率效率达到 80%;同年,他们又报道了371360W 激光输出的掺镱光纤激光器 ,斜率效率高达 83%,Y. Jeong 也提出了单根光纤万瓦量级输出的可能性。 382005 年,Gaponstev等人 研

43、制了接近 2KW 输出功率的高光束质量的准单39模光纤激光器。 2006年, IPG公司将单模光纤激光器的输出功率提高到了 3kW ,至 2009年,IPG公司向客户交付了第一台 5kW功率单模掺镱光纤激光器,该激2光器具有极高的光束质量,光束衍射倍率因子 M 为 1.2。 40如今,国内掺镱光纤激光器的研究也进展的十分顺利,南开大学 ,上海光41 42学精密机械研究所 以及清华大学 等院校和研究所都研制了高功率高斜率效率的掺镱光纤激光器,功率可达千瓦量级,斜率效率达到 70%。 随着掺镱光纤激光器在工业,制造领域应用的不断增加,对掺镱光纤激光器在功率方面的要求也逐渐的加大。在高功率运转条件时

44、,掺镱光纤激光器的弊端也有所显现。由于镱离子在 1.06微米处的激光发射属于准四能级结构,激光下能级不是独立的能级,而是由基态能级斯塔克分裂获得,其与基态最低斯塔克能级的距离很小且处于同一能级。当介质处于高温环境时,处于基态最低斯塔克能级的粒子可能会受到热激励而跃迁至镱离子的激光下能级,造成激光下能级粒子8 第一章 绪论 不能快速的排空,从而引起光纤激光器的整体不稳定性,降低输出功率和斜率效激光发射属于标准四能级结构,激光下能级与基态能级完全分离,在高温条件下,处于激光下能级的钕离子仍然能够快速的跃迁到基态能级,保证粒子数反转,实现激光器的稳定运转。同时,共振泵浦技术已经在掺钕晶体当中应用而获得了良好的效果,掺钕光纤在 880nm处存在一个宽的吸收峰,吸收波长延伸至 920nm子效率要高于 808nm传统泵浦方式,而且可以与掺