方 剛，徐向濤，全恩臣，戴特力，范嗣強(qiáng)，張 鵬

摻Y(jié)b3＋雙包層光纖激光器的研究進(jìn)展

方 剛，徐向濤，全恩臣，戴特力，范嗣強(qiáng)，張 鵬*

（重慶師范大學(xué)物理與電子工程學(xué)院重慶市高校光學(xué)工程重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，重慶400047）

光纖激光器以其獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)得到快速發(fā)展，其應(yīng)用范圍已經(jīng)擴(kuò)展到工業(yè)加工、國(guó)防軍事、醫(yī)療等領(lǐng)域。綜述了連續(xù)、脈沖摻Y(jié)b3＋雙包層光纖激光器的國(guó)內(nèi)外研究進(jìn)展，介紹了利用能承受高功率的合束器、光纖光柵的全光纖激光器，利用種子光主振蕩光纖放大技術(shù)產(chǎn)生高光束質(zhì)量、高平均功率、高峰值功率的脈沖光纖激光器。分析了影響光纖激光器功率提高的因素，如光纖的損傷、非線性性效應(yīng)、熱效應(yīng)。最后，對(duì)摻Y(jié)b3＋雙包層光纖激光器的發(fā)展前景進(jìn)行了展望。

激光器；摻Y(jié)b3＋；光纖激光器；主振蕩功率放大器；雙包層光纖；非線性效應(yīng)；熱效應(yīng)

引 言

近年來(lái)，隨著大功率半導(dǎo)體激光器抽運(yùn)技術(shù)和雙包層光纖制作工藝的不斷提高，光纖激光器的輸出功率已經(jīng)從最初的幾百毫瓦上升到數(shù)千瓦水平［1］。光纖激光器以摻稀土元素（鉺、鐿、銩等）光纖作為增益介質(zhì)，鐿離子（Yb3＋）具有很高的吸收截面、較寬的吸收光譜（典型值為910nm～980nm）以及較寬的發(fā)射光譜（典型值為1040nm～1100nm），使其具有90%以上的量子效率，并且可以高濃度摻雜［2］；雙包層光纖的出現(xiàn)使得抽運(yùn)光的耦合效率相當(dāng)高，因此，摻Y(jié)b3＋雙包層光纖激光器的綜合電光效率高達(dá)20%以上，光光轉(zhuǎn)換效率超過(guò)60%；雙包層光纖激光器的輸出光束質(zhì)量由纖芯直徑d和數(shù)值孔徑dNA決定，只要光纖的歸一化頻率ν＜2.404，就可以實(shí)現(xiàn)基橫模運(yùn)轉(zhuǎn)，獲得近衍射極限的激光輸出；雙包層光纖的表面積／體積比很大，使得散熱性能非常好，對(duì)于百瓦級(jí)的光纖激光器，采用風(fēng)扇制冷即可，對(duì)于千瓦級(jí)的光纖激光器，需采用水冷［3］；能承受高功率的合束器、光纖光柵的出現(xiàn)，使得雙包層光纖激光器實(shí)現(xiàn)全光纖化成為可能，極大地簡(jiǎn)化了光纖激光器的設(shè)計(jì)和制作，而且光纖具有極好的柔繞性，因此光纖激光器的結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、緊湊靈活。本文中對(duì)近年來(lái)國(guó)內(nèi)外連續(xù)、脈沖摻Y(jié)b3＋雙包層光纖激光器的研究進(jìn)展進(jìn)行了綜述，對(duì)影響光纖激光器功率提高的影響因素進(jìn)行了分析。

1 研究進(jìn)展

1.1分離器件連續(xù)摻Y(jié)b3＋雙包層光纖激光器進(jìn)展

普通單模光纖纖芯直徑很小，一般在10μm以下，使得高功率抽運(yùn)光很難耦合到纖芯。由于要將半導(dǎo)體激光抽運(yùn)入單模光纖的纖芯，要求半導(dǎo)體激光也必須是單模，而單模半導(dǎo)體激光能達(dá)到的功率小于1W，這使得普通單模摻雜光纖激光器難以實(shí)現(xiàn)高功率輸出。為了提高抽運(yùn)轉(zhuǎn)換效率和光纖激光的輸出功率，1988年，美國(guó)Polariod公司的SNITZER等人提出雙包層光纖［4］，雙包層光纖比普通光纖多了一個(gè)內(nèi)包層，內(nèi)包層可以傳輸多模抽運(yùn)光，其提高了抽運(yùn)光的入纖功率和耦合效率，同時(shí)也降低了對(duì)抽運(yùn)源的要求。隨后，光纖激光器的輸出功率不斷攀升。2004年，英國(guó)南安普頓大學(xué)的JEONG等人報(bào)道了高效包層抽運(yùn)的摻Y(jié)b3＋光纖激光器，其在波長(zhǎng)1100nm處獲得了1.36kW接近衍射極限連續(xù)激光輸出，斜率效率達(dá)83%［5］。實(shí)驗(yàn)裝置如圖1所示。該摻鐿光纖激光器使用雙端抽運(yùn)結(jié)構(gòu)，抽運(yùn)光通過(guò)準(zhǔn)直聚焦后耦合到有源光纖，耦合效率大于90%，采用光纖端面自由輸出并用V型槽對(duì)光纖兩端進(jìn)行散熱。2009年，該研究小組又報(bào)道了利用同樣的抽運(yùn)結(jié)構(gòu)在波長(zhǎng)1.1μm處獲得了大于2.1kW的連續(xù)激光輸出，斜率效率達(dá)74%，光束質(zhì)量M2＜1.2［6］。2010年，HE等人報(bào)道了采用優(yōu)化結(jié)構(gòu)參量的大芯徑雙包層光纖，雙端抽運(yùn)在波長(zhǎng)1090nm處獲得了l.75kW的連續(xù)波激光輸出，斜率效率為76%［7］。

圖1 兩個(gè)二極管堆抽運(yùn)的摻鐿光纖激光器實(shí)驗(yàn)裝置圖

1.2全光纖連續(xù)摻Y(jié)b3＋雙包層光纖激光器進(jìn)展

由于全光纖激光技術(shù)具有效率高、光束質(zhì)量好、穩(wěn)定性高、免維護(hù)等優(yōu)點(diǎn)，近幾年來(lái)，利用能夠承受高功率的光纖合束器、光纖光柵等無(wú)源器件使摻Y(jié)b3＋雙包層光纖激光器全光纖化成為最受關(guān)注的研究熱點(diǎn)之一。IPG公司利用其發(fā)明的光纖側(cè)向抽運(yùn)技術(shù)，不斷刷新高功率光纖激光器的記錄，其產(chǎn)品涵蓋50kW以內(nèi)連續(xù)光纖激光器和200W以內(nèi)脈沖光纖激光器。英國(guó)SPI公司的產(chǎn)品涵蓋1000W以內(nèi)連續(xù)光纖激光器和平均功率70W、峰值功率20kW以內(nèi)脈沖光纖激光器。IPG高功率全光纖激光器的結(jié)構(gòu)如圖2所示。二極管激光器（laser diode，LD）的抽運(yùn)光通過(guò)光纖合束器進(jìn)入有源光纖，諧振腔鏡分別由高反射率的光纖光柵和低反射率的光纖光柵組成。來(lái)看看國(guó)內(nèi)的情況：2011年，國(guó)防科學(xué)技術(shù)大學(xué)的MA等人報(bào)道了一臺(tái)全光纖結(jié)構(gòu)的光纖激光器，采用雙端抽運(yùn)結(jié)構(gòu)，獲得了1008W的高功率輸出，輸出激光的中心波長(zhǎng)為1082nm，光轉(zhuǎn)換效率為68%［8］；武漢銳科公司目前已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了4000W以內(nèi)連續(xù)和100W以內(nèi)脈沖光纖激光器產(chǎn)品。

圖2 IPG高功率全光纖激光器結(jié)構(gòu)圖

單根光纖激光的輸出功率達(dá)數(shù)千瓦時(shí)，其熱效應(yīng)及非線性效應(yīng)成為提高功率的限制因素，采用光纖放大器的方式可以實(shí)現(xiàn)更高功率的激光輸出［9］。IPG公司己經(jīng)實(shí)現(xiàn)了10kW的單模、50kW的多模連續(xù)激光輸出［8］。IPG公司10kW單模光纖激光器結(jié)構(gòu)如圖3所示。主振蕩器輸出功率為1kW、波長(zhǎng)為1070nm的種子光，注入纖芯為30μm、長(zhǎng)15m的摻鐿光纖，放大級(jí)由45個(gè)波長(zhǎng)為1018nm、功率為300W的光纖激光器進(jìn)行抽運(yùn)，采用1018nm的光纖激光器作為抽運(yùn)源，雖然摻鐿光纖在1018nm的吸收峰比975nm的吸收峰小約1個(gè)量級(jí)，但是1018nm光纖激光器的亮度要高約100倍（相比30W多模半導(dǎo)體激光器），而且量子缺陷低于5%，從而進(jìn)一步減少了熱量的產(chǎn)生。再看看國(guó)內(nèi)的情況：2009年，中國(guó)科學(xué)院西安光學(xué)精密機(jī)械研究所在全光纖激光技術(shù)研究方面取得重要階段性進(jìn)展，采用兩級(jí)放大輸出功率超過(guò)1000W，光光轉(zhuǎn)換效率為62%［10］；2011年，清華大學(xué)的YAN等人報(bào)道了采用主振蕩器-二級(jí)放大的全光纖激光器，在波長(zhǎng)1085nm處輸出功率1.1kW，光光效率達(dá)66.5%［11］。

圖3 IPG 10kW單模光纖激光器結(jié)構(gòu)圖

1.3脈沖摻Y(jié)b3＋雙包層光纖激光器進(jìn)展

與連續(xù)光纖激光器相比，脈沖光纖激光器具有高的峰值功率，能夠與物質(zhì)高效地進(jìn)行相互作用，在激光加工、激光雷達(dá)、光譜學(xué)等領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用。目前摻Y(jié)b3＋雙包層光纖激光器產(chǎn)生脈沖的方式主要通過(guò)調(diào)Q、鎖模、種子光主振蕩功率放大（master oscillator power amplifier，MOPA）3種技術(shù)。調(diào)Q能產(chǎn)生高能量脈沖，脈沖寬度在納秒級(jí)的激光；鎖模輸出激光脈沖寬度可達(dá)飛秒級(jí)。種子光主振蕩光纖功率放大是用高光束質(zhì)量較低功率的脈沖激光作為種子光源，注入到二極管激光器抽運(yùn)的有源光纖內(nèi)進(jìn)行功率放大，實(shí)現(xiàn)高能量的脈沖激光輸出，產(chǎn)生的激光波長(zhǎng)、重復(fù)頻率與種子光相同［12］。調(diào)Q、鎖模獲得的平均功率往往并不一定很大，因此，采用種子光主振蕩光纖功率放大技術(shù)是實(shí)現(xiàn)高光束質(zhì)量、高平均功率、高峰值功率的超短脈沖激光的理想方法。典型主振蕩光纖功率放大器結(jié)構(gòu)如圖4所示，一般采用三級(jí)放大，既可以抑制光纖放大器產(chǎn)生的自發(fā)輻射，還可以實(shí)現(xiàn)高功率超短脈沖激光輸出，光纖放大器之間的隔離器防止反向傳輸光影響種子光和前一級(jí)光纖放大器的工作特性，避免損害種子源和各級(jí)放大器的抽運(yùn)源。

圖4 典型主振蕩光纖功率放大器結(jié)構(gòu)圖

2002年，德國(guó)耶拿大學(xué)的LIMPERT等人報(bào)道了在重復(fù)頻率50kHz時(shí)，獲得平均功率達(dá)100W；在重復(fù)頻率3kHz時(shí)，獲得脈沖能量4mJ，接近衍射極限的脈沖激光輸出［13］。2005年，CHENG等人報(bào)道了在脈沖寬度為500ns和50ns時(shí)，脈沖能量分別達(dá)82mJ和27mJ；在脈沖寬度4ns時(shí)，峰值功率達(dá)2.4MW的摻Y(jié)b3＋光纖放大器系統(tǒng)［14］；LIMPERT報(bào)道了在重復(fù)頻率47MHz時(shí)，獲得了平均功率97W、峰值功率200kW、脈沖寬度10ps的超短脈沖輸出［15］；ROSER報(bào)道了在重復(fù)頻率73MHz時(shí)，獲得了平均功率為131W、脈沖寬度為220fs、峰值功率8.2MW的超短脈沖輸出［16］。2006年，英國(guó)南安普頓大學(xué)DUPRIEZ等人報(bào)道了利用主振蕩功率放大獲得了平均功率超過(guò)300W、重復(fù)頻率為1GHz、脈沖寬度為20ps的超短脈沖激光輸出［17］。2007年，ROSER報(bào)道了采用聲光調(diào)制器獲得了平均功率90W，脈沖能量100mJ，重復(fù)頻率900kHz，脈沖寬度500fs超短激光輸出［18］。2010年，CHEN等人報(bào)道了在重復(fù)頻率908MHz時(shí)，獲得了平均功率100W、脈沖寬度21ps的線偏振、單模摻鐿皮秒光纖激光放大系統(tǒng)［19］。

2006年，中國(guó)科學(xué)院上海光學(xué)精密機(jī)械研究所KONG等人報(bào)道了在重復(fù)頻率100kHz時(shí)，獲得了平均功率133.8W、脈沖寬度400ns的輸出；在重復(fù)頻率20kHz時(shí)，獲得了脈沖寬度15ns，峰值功率達(dá)300kW［20］。清華大學(xué)YE等人報(bào)道了利用固體激光器種子源在摻Y(jié)b3＋雙包層保偏光纖進(jìn)行放大，在重復(fù)頻率40kHz時(shí)，獲得了脈沖能量大于1mJ、脈沖寬度30ns、平均功率53.1W的線偏振脈沖激光［21］。2009年，LI等人報(bào)道了利用激光二極管抽運(yùn)聲光開關(guān)調(diào)制的固體激光器作為種子源，獲得了平均功率為103W的脈沖激光輸出，重復(fù)頻率50kHz，脈寬12.7ns，峰值功率達(dá)162kW［22］。ZHOU等人報(bào)道了采用MOPA方式，獲得了平均功率150W的脈沖放大激光輸出［23］。2011年，YANG等人報(bào)道了在重復(fù)頻率40MHz時(shí)，平均功率150W、脈沖寬度273fs的超短脈沖輸出［24］。2012年，SU等人報(bào)道了主振蕩功率放大MOPA結(jié)構(gòu)的單頻脈沖全光纖激光器，對(duì)重復(fù)頻率10MHz、脈寬約8ns、平均功率約0.5mW的單頻脈沖種子光進(jìn)行級(jí)聯(lián)放大，獲得了平均功率300.8W的高功率激光輸出［25］。

2 影響光纖激光器功率提高的因素

隨著摻Y(jié)b3＋雙包層光纖激光器功率的不斷提高，光纖的損傷、非線性效應(yīng)、熱效應(yīng)已經(jīng)成為光纖激光器功率提高的制約因素。

2.1光纖的損傷

雙包層光纖激光器要實(shí)現(xiàn)單模激光輸出，其纖芯相關(guān)參量必須滿足歸一化頻率：

式中，d為纖芯的直徑，λ為信號(hào)光波長(zhǎng)。由（1）式可知，雙包層光纖激光器能否實(shí)現(xiàn)單模輸出，是由纖芯的直徑和數(shù)值孔徑?jīng)Q定的。純石英光纖的損傷閾值非常高，在脈沖激光下的損傷閾值約為100W／μm2（峰值功率）。對(duì)于摻雜石英光纖，由于摻雜降低了石英的均勻性和純度，大大降低了光纖的損傷閾值，為了保證雙包層光纖激光器性能穩(wěn)定可靠避免燒毀光纖，在實(shí)際光纖激光器設(shè)計(jì)時(shí)一般取1.5W／μm2作為光纖的損傷閾值［1］。對(duì)于滿足歸一化頻率實(shí)現(xiàn)單模輸出的雙包層光纖，6μm～10μm的纖芯直徑可實(shí)現(xiàn)的最高功率在百瓦量級(jí)，這就限制了雙包層光纖激光器在滿足單模激光輸出的條件下實(shí)現(xiàn)高功率輸出。大模場(chǎng)光纖的出現(xiàn)，有效地解決了這一問(wèn)題：通過(guò)增大纖芯直徑和減小數(shù)值孔徑來(lái)實(shí)現(xiàn)低階模、高光束質(zhì)量的激光輸出。但是由于光纖材料的限制，纖芯數(shù)值孔徑也不可能很小，目前技術(shù)上可實(shí)現(xiàn)其典型值為0.06，對(duì)應(yīng)的最大光纖單模直徑在17μm左右。

2.2非線性效應(yīng)

在雙包層光纖激光器中，由于纖芯所能承受的激光功率密度很高，且光纖長(zhǎng)度較長(zhǎng)，容易引起非線性效應(yīng)，其主要包括受激布里淵散射（stimulated Brillouin scattering，SBS）、受激喇曼散射（stimulated Raman scattering，SRS）［26］。對(duì)于這兩種非線性效應(yīng)的產(chǎn)生，都存在一個(gè)閾值，當(dāng)激光功率大于閾值時(shí)，才會(huì)出現(xiàn)非線性散射。SBS和SRS作為損耗都會(huì)影響高功率的激光輸出［27］。

SBS散射的閾值表達(dá)式為：

SRS散射的閾值表達(dá)式為：

式中，gB和gR分別是布里淵增益系數(shù)和喇曼增益系數(shù)，其典型值分別為gR＝1×10－13m／W，gB＝5× 10－11m／W，Aeff是光纖纖芯的有效模場(chǎng)面積，Leff是光纖的有效長(zhǎng)度，ΔνB是SBS增益帶寬，一般為30MHz～50MHz，Δνs是信號(hào)光的帶寬。可見光纖中受激布里淵散射的閾值比受激喇曼散射的閾值要低約兩個(gè)數(shù)量級(jí)，根據(jù)（2）式可知，通過(guò)增大纖芯面積和減小光纖長(zhǎng)度，增大受激布里淵散射的閾值，有利于高功率激光的輸出。

2.3熱效應(yīng)

由于雙包層光纖激光器使用細(xì)長(zhǎng)的摻雜光纖作為增益介質(zhì)，有大的表面積／體積比，因此散熱性能很好。但是光纖激光器的輸出功率達(dá)到幾百瓦以上時(shí)，熱效應(yīng)問(wèn)題就成為一個(gè)不可忽視的重要問(wèn)題［28］。

雙包層光纖激光器的徑向溫度為：

雙包層光纖激光器的軸向溫度為：

式中，Tc為環(huán)境溫度；a，b，c分別為雙包層光纖的纖芯、內(nèi)包層和外包層的半徑；相應(yīng)的熱導(dǎo)率分別為κ1，κ2，κ3；λp，λs分別為抽運(yùn)光和信號(hào)激光的波長(zhǎng)；α0為光纖對(duì)抽運(yùn)光的吸收系數(shù)；P0為抽運(yùn)光功率；L為光纖的長(zhǎng)度。由（4）式與（5）式比較可知，雙包層光纖激光器的徑向溫度梯度遠(yuǎn)大于軸向溫度梯度，這表明在熱傳導(dǎo)過(guò)程中，熱量主要是沿徑向傳輸?shù)?。由?）式可知，雙包層光纖激光器的效應(yīng)與環(huán)境溫度、光纖對(duì)光纖對(duì)抽運(yùn)光的吸收系數(shù)、抽運(yùn)功率、包層直徑等參量有關(guān)。光纖對(duì)抽運(yùn)光的吸收系數(shù)越小，光纖內(nèi)的溫度相對(duì)較低，高功率的雙包層光纖激光器，可以選擇對(duì)抽運(yùn)光吸收系數(shù)小的雙包層光纖；由于雙包層光纖的外包層為聚合物材料，其導(dǎo)熱系數(shù)κ3比內(nèi)包層和纖芯的導(dǎo)熱系數(shù)要低很多，因此選擇大半徑尺寸的纖芯和內(nèi)包層、小半徑的外包層有利于光纖激光器的散熱。由（5）式可知，雙包層光纖的溫度在抽運(yùn)光注入端最高，隨著光纖長(zhǎng)度L的增大，雙包層光纖的溫度越來(lái)越小。因此，選擇合適的雙包層光纖對(duì)激光器的性能至關(guān)重要。

3 小 結(jié)

與傳統(tǒng)的固體激光器相比，光纖激光器具有轉(zhuǎn)換效率高、熱管理方便、輸出光束質(zhì)量好、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單緊湊等優(yōu)點(diǎn)，在通信、醫(yī)療、工業(yè)、軍事等領(lǐng)域有著廣闊的應(yīng)用前景。隨著半導(dǎo)體抽運(yùn)激光、特種光纖、能承受高功率低損耗的合束器、光纖光柵、功率提升的相干合成、單頻激光的功率提升、摻鐿特殊波長(zhǎng)光纖激光器975nm，1018nm，1030nm，1100nm等以及摻鐿光纖激光器的頻率變換技術(shù)等關(guān)鍵器件技術(shù)的不斷提高，光纖激光器將克服光纖損傷、非線性效應(yīng)、熱效應(yīng)等困難，實(shí)現(xiàn)全光纖化，輸出功率從百瓦級(jí)向千瓦級(jí)甚至萬(wàn)瓦發(fā)展，高功率連續(xù)激光向高平均功率、高峰值功率的脈沖光纖激光發(fā)展?？梢灶A(yù)見，光纖激光器將成為其它激光器的有力競(jìng)爭(zhēng)對(duì)手，必將在未來(lái)各個(gè)領(lǐng)域中發(fā)揮重要作用。

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Research progress of Yb-doped double-clad fiber lasers

FANG Gang，XUXiangtao，QUANEnchen，DAI Teli，F(xiàn)ANSiqiang，ZHANGPeng
（Optical Engineering Key Laboratory of Chongqing City，College of Physics and Electronic Engineering，Chongqing Normal University，Chongqing 400047，China）

Fiber lasers have grown rapidly for their unique advantages，which become very competitive in many applications such as industrial processing，defense and military，medical and other fields.The progress of continuous wave and pulse Yb-doped double-clad fiber laser at home and abroad was reported.All-fiber lasers with combiners and fiber gratings were introduced.Simultaneously，pulse fiber lasers with high beam quality，high average power and high peak power based on master oscillator fiber power amplifier technology were presented.The influencing factors of increasing power of fiber laser，including damage of the optical fiber，nonlinear effects，thermal effects，were analyzed.Finally，the development trends of the Yb-doped double-clad fiber lasers were predicated.

lasers；Yb-doped；fiber laser；master oscillator fiber power amplifier；double-clad fiber；nonlinear effect；thermal effect

TN248.1

A

10.7510／jgjs.issn.1001-3806.2014.02.028

1001-3806（2014）02-0278-05

重慶市自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目（cstcjjA40029）；重慶師范大學(xué)博士啟動(dòng)基金資助項(xiàng)目（11XLB014）

方 剛（1989-），男，碩士研究生，主要從事微納光子器件及高功率光纖激光器方面的研究。

*通訊聯(lián)系人。E-mail：zhangpeng2010＠cqnu.edu.cn

2013-04-24；

2013-05-15