摻鐿脈衝光纖放大器

對於摻鐿光纖雷射器而言，由於鐿離子的能級結構簡單，在泵浦光以及信號光波長下，存在多重激發態吸收，光轉換效率高，大的能級間隔消除了非輻射弛豫時間以及濃度猝滅等，因此摻鐿光纖雷射器在很多領域都得到了廣泛的套用。

基本介紹

• 中文名：摻鐿脈衝光纖放大器
• 外文名：PulsedYb-doped fiber amplifiers

1 摻鐿脈衝光纖雷射器概述

摻雜光纖就是將微量稀土元素摻入光纖的石英玻璃基質中形成的具有特殊性能的光纖，其中稀土元素可將被動傳輸光纖轉變為具有信號放大特性的主動光纖，且摻稀土光纖特性都隨著摻雜稀土元素的濃度、種類、性質的變化而變化。隨著人們對稀土摻雜光纖雷射器研究的不斷深入，使其迅速進入了實用化階段。稀土摻雜光纖雷射器以其信號串擾小、損耗低以及易於耦合等優點，在很多領域都得到了廣泛的套用，例如：光纖通信領域、光纖感測、工業加工、醫療和國防等領域。隨著光纖耦合技術、稀土摻雜光纖技術、單模低損耗光纖技術的不斷提高，光纖雷射器已在大功率雷射器技術中有了突破性的進展。在國內外的高功率雷射技術領域中，高峰值功率雙包層光纖雷射器受到了研究人員的廣泛重視。

在雷射器研究領域中，人們把注意力集中在輸出波長為 1μm 的雷射上，隨著準三能級高功率光纖雷射器的不斷發展，使得這種近紅外波段的雷射輸出成為可能。對於摻鐿光纖雷射器而言，由於鐿離子的能級結構簡單，在泵浦光以及信號光波長下，存在多重激發態吸收，光轉換效率高，大的能級間隔消除了非輻射弛豫時間以及濃度猝滅等，因此摻鐿光纖雷射器在很多領域都得到了廣泛的套用。

2國外研究進展

1962 年，R. M. Etzel 等人首次在摻 Yb3+石英玻璃中實現了雷射振盪。他們將鐿離子作為一種雷射的激活離子，摻雜一些其他的稀土離子(如釹離子)，從而提高其他離子的吸收效率。 英國南安普頓大學在 1987 年到 2004 年分別研究了摻鉺單模光纖信號放大、摻鐿單模光纖雷射放大，並在此基礎上研製了高效率包層泵浦摻鐿光纖雷射器，其中心波長為 1.1μm、輸出功率為 1.36kW、斜率效率為 83%，在雷射光束質量接近衍射極限的情況下，該輸出功率在當時處於最高水平，刷新了歷史記錄。

IPG在 2004 年到 2005 年，先後發布了 10kW 級摻鐿雙包層光纖雷射器，以及連續雷射輸出功率 2kW 的光纖雷射器，並且輸出功率可調；2006 年該公司將摻鐿光纖雷射器的單模輸出功率提高到了 3kW，另外，多模輸出功率提高到了 50kW；直到2009 年，該公司推出一台體積為 850mm×800mm，光束質量因子為 1.2，輸出功率為5kW 的單模光纖雷射器，並其光電效率可以達到 22%。 2008 年，V. Pureur 等人設計了一種工作波長為 977nm 的摻鐿實芯光子帶隙光纖雷射器，通過調整光纖的幾何參量，獲得波長範圍為 1000nm，對於 99%-4%的雷射諧振腔，其斜率效率為 65%。 2010 年 1 月，加拿大 Alberta 大學的 Lei Pan 和 Robert Fedosejevs 等人，報導了高功率摻鐿光纖雷射器，當泵浦光功率為 10.1W 時，輸出重複頻率為 282kHz、斜率效率為 51%、平均功率為 5.2W 的雷射脈衝，隨著泵浦光功率的增加，雷射脈衝能量也隨之增加，脈衝寬度逐漸降低。

2010 年 K. Kieu 等將摻 Er 光纖雷射器和 1μm 的飛秒摻 Yb 光纖振盪器連線，用980nm 的摻鐿飛秒光纖雷射器對摻 Er 光纖雷射器抽運和放大，獲得 135fs 和 11.5W 平均功率的超短脈衝輸出。

2010 年 xiaomin Liu 等人利用 SESAM 自啟動鎖模技術，將兩段光子晶體光纖和摻Yb 光纖作為增益介質，得到 297fs、7.3nJ 的脈衝輸出。其中一段光子晶體光纖用於振盪器中的色散補償和非線性管理。腔外的一段光子晶體光纖（PFC）用於脈衝壓縮。該飛秒雷射器的性能十分穩定，在連續四天的運轉中未發現調Q鎖模現象發生。

另外，2010 年，Richardson 等人基於連續、脈衝摻雜鐿離子光纖雷射器的性能，利用 Cladding-pumped 光纖結構，大大提高了光纖雷射器的光束質量和產生效率。 同年，Q. Xiao 等人報導了高功率光纖雷射器，泵浦全光纖耦合效率達到 90.1%，耦合功率為 144.7W。他們主要利用二氧化碳光纖維作為工作介質，得到雷射輸出功率為 102.5W，斜率效率為 77.1%。該邊泵浦光纖耦合器適用於高效、穩定的高功率光纖雷射器和放大器系統。

2011 年，Liu Jiang 等人首次開展了石墨烯被動調 Q 摻鐿光纖雷射器輸出穩定納秒雷射脈衝的研究，實驗利用石墨烯這種可飽和吸收體作為雷射器的調 Q 開關，得到最大輸出功率為 12mW，最大單脈衝能量為 46nJ，當光纖雷射器的重複頻率從 140kHz變化到 257kHz 時，泵浦光功率也隨之增加。 同年，Ja Hon Lin 等人研究了一種被動鎖模的摻鐿光纖雷射器，當泵浦光功率為175mW 時，該雷射器可輸出最高脈衝能量超過 20nJ 的雷射光束，且雷射光譜頻寬大於 50nm，實驗中通過旋轉偏振器，有效消除了由於四波混頻產生的平坦光譜輸出。 F. Q. Lian 等人基於半導體可飽和反射鏡對正色散鎖模摻鐿光纖雷射器進行了研究，飽和通量由 32μJ/cm減小到 20μJ/cm，有效降低了鎖模的泵浦功率閾值。另外，光纖雷射器在沒有色散延遲線或反常色散腔的情況下，在 15ps 內產生脈衝串，當鎖模脈衝重複頻率為 30MHz 時，在 1064nm 處產生平均為 10~30mW 的功率輸出。

2011 年，法國尼斯大學的 Bernard Dussardier 等人報導了用摻 Cr 光纖作為可飽和吸收體被動調 Q 的摻鐿光纖雷射器。當泵浦光功率為 17W 時，得到重複頻率為350kHz，單脈衝能量為 2μJ，脈寬為 480ns，平均輸出功率為 0.9W 的雷射脈衝，其單脈衝能量為 2μJ。 同年，美國密西根大學的 Bai Nie 等設計了一種雙包層摻鐿全正常色散飛秒光纖雷射器，產生的雷射脈衝能量為 22nJ。另外，利用多光子脈間干涉相位掃描技術壓縮雷射脈寬，將雷射脈寬壓縮到 42fs，且單脈衝能量為 10nJ。這一研究成果使摻鐿光纖雷射器在超短強雷射領域得到了很大進步。

J. lhermite 等人利用纖芯和包層直徑分別為 80μm 和 200μm 的摻鐿棒狀光纖作為增益介質產生了中心波長為 976nm、脈衝寬度為 460fs、單脈衝能量為 500nJ、平均功率為 4.2W 的超短脈衝輸出。

2011 年，V. A. Akulov 等人利用二次諧波效應，對光波長為 540-550nm 的摻鐿光纖雷射器進行了研究，當 LD 泵浦功率為 18W 時，其輸出功率大於 300mW，同時他們分析並補償了該雷射系統的相位效應。

2012 年，Chen, Hung-Wen 等人從理論上和實驗上對摻鐿飛秒光纖雷射器(YDFAs)的雷射脈衝壓縮系統進行了最佳化設計，實現了高質量、高功率的脈衝壓縮。YDFAs中的超短脈衝放大原理是將廣義非線性薛丁格方程耦合到穩態傳播速率耦合方程中得到的。根據這一理論得到了壓縮脈衝的各項參數，包括增益光纖的摻雜濃度、光纖長度、正啁啾輸入脈衝、持續時間等。該研究使摻鐿光纖雷射器在超短脈衝雷射領域中占有一席之地。同年，Mingchen Chen 等人搭建了工作波長在 1178nm 的單頻摻鐿光子帶隙光纖雷射器，其輸出功率為 24.6W，增益為 12dB。 Zheng. C 等人報導了全光纖主振盪功率放大器，通過一些技術手段抑制了 ASE，並獲得重複頻率可調、脈衝頻寬 18ns、脈衝能量為 15μJ 的雷射脈衝輸出，並且該小組還實現了頻寬為 10ns，單脈衝能量為 1.2mJ 的雷射輸出，重複頻率在 1Hz 到 100Hz 之間可調。

另外，X. Dong 等人對 s 波段的摻鐿光纖雷射器進行了研究，可輸出中心波長為1012nm，最大輸出功率為 331mW，功率轉換效率為 55%。同時，他們還搭建一種光纖放大器來驗證 C 波段雷射作為雙泵浦源的可行性，這種串聯光纖放大器的斜率效率達到 63%。

2013 年，Smith Arlee V 等人理論模擬了基於受激熱瑞利散射的摻鐿光纖放大器的輸出頻率隨模式耦合增益的變化關係，通過計算得到了增益峰值處的雷射頻率受光纖纖芯尺寸、鐿離子摻雜濃度、熱透鏡、光纖纏繞方式、泵浦方向、光子暗化、泵浦光譜噪聲等的影響情況。

同年，Li. X 等人基於氧化石墨烯可飽和吸收體，實現了全正常色散、被動鎖模摻鐿環形光纖雷射器，實驗結果表明，鎖模雷射脈衝弛豫時間變化範圍為 191ps 到 41.68ns，通過改變腔長，得到腔內往返時間為 24~458 ns。當腔長為 94m 時，鎖模雷射脈衝的最大平均輸出功率為 539mW，單脈衝能量達到 0.429μJ。

3國內研究進展

國內對高峰值功率摻鐿光纖雷射器也進行了全面的研究。2011 年，Yu-Hao Xue 等人在 Chinese Physics Letters 上報導了關於高功率被動鎖相四路摻鐿光纖放大器的研究結果，經多級放大，光纖陣列的最大相干輸出功率為 1062W，通過主振盪功率放大系統結構和被動相位系統的頻寬調整，可以獲得高功率、高光束質量輸出。

北京工業大學與天津大學基於石墨烯可飽和吸收體一同研究了被動鎖模、被動調Q 的摻鐿光纖雷射器。實驗中，研究小組分別採用環形腔和線形腔進行研究。當採用環形腔結構，抽運功率為 2.3W 時，雷射輸出功率為 170mW，單脈衝能量為 163nJ；當採用線形腔時，利用石墨烯被動調 Q，輸出雷射平均功率為 12mW，單脈衝能量為46nJ。

2012 年，國防科技大學光電科學與工程學院，採用主振盪放大技術，成功實現了主振盪器輸出功率為 12W，放大器抽運功率為 747W 時，獲得了 525W 高功率放大雷射輸出，且光-光轉換效率 70%。

2013 年，深圳大學對高功率全光纖摻鐿皮秒光纖雷射器進行了研究，輸出中心波長為 1063.7nm，脈寬為 10.2ps，重複頻率為 281.7MHz，平均功率為 7.14mW 的脈衝雷射。

同年，北京郵電大學張志強從理論和實驗上對高功率摻鐿光纖雷射器進行了全面研究。採用主振盪功率放大方式，測得了 915nm 和 976nm 泵浦雷射器的平均功率和雷射斜率效率。

北京工業大學對高重頻高峰值功率亞納秒摻鐿光纖雷射進行了研究，獲得重頻為400kHz，脈寬為 960ps，中心波長為 1064.5nm，雷射輸出功率為 100mW 的雷射脈衝，此時單脈衝能量為 22μJ，峰值功率為 23kW。

2014 年，北京理工大學基於雙包層調 Q 光纖雷射器的速率方程，搭建了全光纖化高功率線偏振摻鐿脈衝光纖雷射器，得到了泵浦功率為 38.4W 時，雷射重複頻率為40kHz，脈衝寬度為 30ns，輸出功率為 29.8W 的偏振雷射，其雷射光束質量因子可達1.32。

另外，國防科學技術大學的宋銳等人基於線形腔，對半導體可飽和吸收鏡被動鎖模皮秒脈衝摻鐿光纖雷射器進行研究，獲得了半導體可飽和吸收鏡(SESAM)的物理參量對鎖模脈衝特性的影響，以及 SESAM 的非飽和損耗對雷射平均功率的影響。同年，深圳大學對氧化石墨烯被動鎖模摻鐿光纖雷射器多脈衝現象進行了實驗研究，實驗獲得了矩形脈衝諧波鎖模、耗散孤子諧波鎖模、準諧波鎖模，利用 2nm 的窄帶濾波器對增益頻寬進行限制，同時誘導多脈衝現象的產生。

中國科學院上海光學精密機械研究所在光纖雷射器的輸出功率上有了新的突破，2013 年，研究了 1.5kW 近單模全光纖雷射器，在改進光纖熔接技術的前提下，使抽運光功率達到 1.16kW，其斜率效率為 87.3%，中心波長為 1080nm；2014 年，該研究小組研製了 1μm 波段的摻鐿光纖雷射器，其衍射極限輸出功率為 20kW，多橫模輸出功率可達 100kW。