高功率雙包層光纖放大器

高功率雙包層光纖放大器在光纖感測、光纖通訊、光譜測量和慣性約束聚變等領域有廣泛套用。

基本介紹

• 中文名： 高功率雙包層光纖放大器
• 外文名：High power double -clad fiber amplifiers

1概述

在某些雷射套用中，往往要求雷射具有很高的能量(或功率)，如雷射慣性約束聚變(ICF)至少需要上萬焦耳的能量，雷射雷達需要大功率的調製雷射。但欲獲得高能量雷射，僅靠雷射器來實現存在諸多困難，這是因為提高雷射器的輸出功率與其他指標(如單色性、脈寬、調製性能、光束髮散角等)要求是相矛盾的。利用調Q 或鎖模技術，可以獲得極高的峰值功率(109~1012 W)。其峰值之所以大得驚人，是由於把能量壓縮在極短的時間內釋放出來的緣故。但是這種高峰值功率的雷射器實際上所輸出的能量往往並不一定很大。因此，採用種子源主振盪放大技術(MOPA)來實現大脈衝能量、高平均功率成為一種理想選擇。所謂種子源主振盪放大技術，就是採用高光束質量、小功率的固體或光纖雷射器為種子光源，雙包層光纖為放大器，通過將信號光耦合進光纖纖芯，將抽運光耦合進光纖內包層，從而實現對種子光源的高功率放大。

2 工作原理

光纖放大器一般由種子源、抽運源、增益介質光纖、光隔離器及耦合系統等部分組成。雙包層光纖放大器的獨特之處在於其增益介質為雙包層光纖，由摻雜纖芯、內包層、外包層、保護層4 部分組成，與常規光纖相比，多了一個可以傳輸抽運光的內包層。纖芯由摻稀土元素的SiO2 構成，它作為產生雷射的波導，一般情況下是單模的；內包層由橫向尺寸和數值孔徑都比纖芯大得多、折射率比纖芯小的SiO2構成，是抽運光通道，對抽運光波長來說是多模的，用以傳輸高功率的抽運光。抽運光從一端通過耦合系統進入雙包層光纖，在內包層傳輸過程中，以折射方式反覆穿越纖芯，被摻雜離子吸收，形成粒子數反轉以實現增益；信號光在另一端耦合進入纖芯，最終獲得高功率、光束質量好的放大雷射輸出。

雙包層光纖放大器採用的是行波放大的原理。纖芯中的摻稀土離子在抽運光作用下，處於粒子數反轉狀態，當信號光通過纖芯時，由於信號光頻率與雙包層光纖的增益譜線相重合，故激發態上的粒子在外來信號光的作用下產生受激輻射，這種輻射疊加到外來信號光上而得到放大。

3 國內外研究進展

單頻雙包層光纖放大器

單頻、高功率雷射在雷射雷達、光譜學、精密測量等領域有非常廣泛的套用。與其他獲得單頻、高功率雷射的方法(如傳統的行波放大、注入鎖定)相比，光纖放大具有體積小、結構簡單、可控性和輸出頻譜特性好等優點。隨著包層抽運技術的出現，單頻光纖放大器的轉換效率得到大幅度提高，在高功率和光頻特性良好的雷射束方面因其獨特的優勢而成為人們研究的熱點。

國外在單頻光纖放大器方面的工作開展較早，並已取得顯著的成績。1999 年漢諾瓦雷射中心的Zawischa I 等利用摻N光纖放大獲得了波長1064 nm、功率5.5 W 的單頻輸出，光原光轉換效率為35%。其種子源為單塊非平面環形腔雷射器(NPRO)，輸出功率750 mW。雙包層光纖芯徑為11依1 mm，數值孔徑(NA)0.11；內包層直徑為400 mm，NA0.38。光纖長30 m，並纏繞在直徑為22cm 的圓盤上，以抑制高階模式，獲得單模輸出。

2003 年，德國Liem A 等[2]報導了利用摻Yb3+光纖放大獲得了100 W 的單頻輸出。採用大模場面積(LMA)雙包層光纖，芯徑30mm，NA0.06；內包層為D 型，直徑400 mm，NA0.38，光纖長度為9.4m。以NPRO 為種子源，其最高輸出功率為1.6 W，光束質量因子M2 約1.1，線寬2~3 kHz，波長1064 nm。當入纖抽運光為175W，信號光為1.6 W時，實驗獲得100 W 的單頻輸出，光原光轉換效率為63%。

脈衝雙包層光纖放大器

作為當今光電信息領域較前沿的方向之一，脈衝雙包層光纖放大器日益成為國際上研究的熱點。國外主要有英國的南安普頓大學光電研究中心、德國耶拿大學套用物理研究所、美國密西根州大學和美國的IPG等對此進行了相關研究。在國內，脈衝雙包層光纖放大器的研究起步較晚，主要的研究單位有中科院上海光機所、清華大學、中國電子科技集團第十一所和中科院西安光機所等。上海光機所、中國電子科技第十一所和清華大學對MOPA 方式的脈衝光纖放大器進行了理論和實驗研究，並取得了重要進展。

2002 年，德國Limpert J 等報導了利用MOPA 技術獲得納秒脈衝的方法。以調Q Nd:YAG 薄片雷射器作種子源，平均功率為6W，重複頻率3~50 kHz，脈衝寬度70~300 ns，最大單脈衝能量0.6mJ。所用光纖是長25 m 的大模場面積(LMA)光纖，纖芯直徑30mm，NA0.06；內包層為D 型，直徑400 mm，NA0.38。抽運源為中心波長976 nm 的半導體雷射器(LD)，通過一45毅雙色片將抽運光從雙包層光纖的一端耦合進入雙包層光纖的內包層，種子光從另一端耦合進入雙包層光纖的纖芯。採用上述方法，在1064 nm 處實現了最大平均功率100 W 的雷射輸出，光原光轉換效率為71%，重複頻率50 kHz，單脈衝能量2mJ，脈衝寬度80 ns，脈衝占空比為4伊10-3。重複頻率為3 kHz時，單脈衝能量4 mJ，脈寬壓縮為50 ns。2005 年4 月，上海光機所以4 m長的國產高摻雜濃度摻Yb3+雙包層光纖(纖芯43 mm，NA0.08；D 形內包層650 mm/600mm，NA0.38，Yb3 +摻雜濃度為0.65%)作為放大介質，以調Q 脈衝雷射器作為種子源(最大輸出平均功率為1 W，頻率20耀100kHz 可調，波長在1064 nm)，在種子光功率為1 W 左右時，獲得高功率放大脈衝雷射輸出[4]。實驗裝置如圖2 所示。在重複頻率為100 kHz 時，測得放大脈衝雷射的平均功率最高達133.8 W，脈衝寬度400 ns，脈衝占空比為4伊10-2，斜率效率為56%，光原光轉換效率53%。重複頻率在20耀100 kHz 可調，在60 kHz 重複頻率時，典型的脈衝寬度為30 ns。

2005 年，美國密西根州大學以單模LD 為種子光源，採用多級光纖放大的方式，獲得了高脈衝能量的光纖雷射輸出。重複頻率小於100 Hz，脈寬500 ns 時的脈衝能量高達82 mJ，脈衝占空比為5伊10-5；脈寬50 ns 時，脈衝能量為27 mJ (對應的重複頻率為25 Hz)；脈寬4 ns 時，脈衝能量為9.6 mJ。前兩級為常規單模光纖放大，第三級為預放，採用大模場直徑的多模光纖(纖芯50 mm，NA0.06；六角形內包層350 mm，NA0.45)，1064 nm 的小信號增益達27 dB。最後一級功率放大所用的是粗芯雙包層光纖，纖芯直徑達200 mm(但摻雜直徑為100 mm)，NA0.062，內包層為八角形，尺寸600 mm，NA0.46，光纖長度為3.5 m。除納秒級脈衝光纖放大器外，國內外研究機構也對皮秒級脈衝光纖放大器的研製做了有益探索，並取得了突破性進展。2006年，英國南安普頓大學光電研究中心以增益可調的單縱模LD 為種子源，採用四級光纖放大方式，在1064 nm 處獲得了平均功率超過300 W 的脈衝雷射輸出，脈寬20 ps，脈衝占空比為2伊10-2，M2為2.4。這是迄今為止國內外報導的功率最高的皮秒級脈衝光纖放大器。種子源為增益可調的單縱模LD，重複頻率為1 GHz，能產生波長1060 nm，脈寬為56 ps 的脈衝。種子源由一個連續分布反饋式(DFB)光纖雷射器驅動，使之維持單縱模運轉。

通過一個啁啾光纖布拉格光柵(CFBG)，脈寬被壓縮為20 ps。前三級為常規單模光纖預放，最後一級功率放大所用的是粗芯雙包層光纖， 纖芯直徑43 mm，NA0.09，內包層為D 形，尺寸650mm/600 mm，光纖長度為8 m。光纖兩端都磨拋成10毅的傾斜角，以抑制放大的自發輻射(ASE)。同國外報導結果相比，我國的脈衝光纖雷射研究同國際水平已經接近，在某些技術指標上已經居於領先水平；但在最高峰值功率方面還有較大差別。尤其在低重複頻率的脈衝雷射實驗中，由於他們採用了200 mm 纖芯的放大光纖，纖芯面積增大，雷射損傷閾值提高，因而可承受和提供更高的峰值雷射功率。但在重複頻率相近的高重頻方面，國內的峰值功率水平和國外相差不大。

4關鍵技術分析

雙包層光纖的最佳化和選擇

作為光纖放大器中的重要組成部分，雙包層光纖的選擇和最佳化在實際套用中顯得尤為重要。要獲得高平均功率、高峰值功率的脈衝雷射輸出，須採用纖芯直徑較大(>10mm)、數值孔徑較低的大模場面積光纖。在實驗中通常採用的雙包層光纖的芯徑為30 mm，NA0.06。上海光機所採用高摻雜濃度的摻Yb3+雙包層光纖，芯徑為43 mm。而美國密西根州大學的多級光纖放大器中，最後一級功率放大所用的雙包層光纖的芯徑高達200 mm。但由於纖芯直徑的增大，單橫模的種子光源耦合進入光纖，在多模光纖內傳播的結果，可能成為多模的放大雷射光束，光纖放大器將會對雷射的光束質量產生影響。因此，要得到高光束質量的放大雷射輸出，必須採用模式控制技術。此外，雙包層光纖的內包層形狀也是影響抽運光耦合效率的一個至關重要的因素，不同形狀的內包層吸收係數也不同，因此要實現高功率光纖雷射輸出，必須選擇較好的光纖結構。內包層形狀呈D 形、長方形、梅花瓣形等的光纖對抽運光的吸收效率較高，但D 形、長方形和正方形存在幾種局域模式，致使光線在包層中穩定反射而不能進入纖芯，因此設計內包層形狀新穎、工藝上能接受的雙包層光纖，儘可能地除去光線的一切局域穩定模式，可以使得對抽運光的吸收效率更高，同樣摻雜濃度的情況下所需的光纖更短。美國密西根州大學所採用的粗芯雙包層光纖的內包層為八角形，尺寸600mm、NA0.46，使得抽運光的耦合效率大為提高。在國內，上海光機所王之江院士基於雷射技術中的非穩腔概念，提出了“非穩腔形”內包層形狀的雙包層光纖，這種新穎內包層形狀的雙包層光纖更有利於高功率雷射輸出。

對於脈衝雙包層光纖放大器來講，為進一步增大單脈衝能量和提高峰值功率，必須採取措施抑制光纖中可能出現的非線性效應。由於脈衝雙包層光纖放大器纖芯中的雷射峰值功率密度非常高，且光纖較長，非線性效應出現的可能性很大。光纖中主要的非線性效應包括受激布里淵散射(SBS)和受激拉曼散射(SRS)。在光纖放大中由於SBS 比SRS 閾值低，故SBS 就成為光纖放大器中主要的非線性來源。避免SBS主要有兩條途徑：減少光纖長度和增大光纖的芯徑。所以光纖長度的最佳化是一個非常重要的環節。此外，在光纖放大中，光纖端面的雷射損傷也是不容忽視的一個問題。通常採取在雙包層光纖輸出端面熔接一段磨拋成一定角度的空芯光纖的“光纖帽”這一技術手段，以增大放大脈衝雷射和光纖端面的相互作用面積，提高端面雷射損傷閾值。

包層抽運技術

由國內外光纖放大器的研究現狀可以看出，在實驗室中通常採用端面耦合的抽運方式。

上海光機所研製的脈衝雙包層光纖放大器採用的是透鏡直接端面耦合抽運光方式，耦合效率達90%。通過採用空間濾波和非球面耦合技術，將半導體雷射器發出的抽運光高效耦合進入雙包層光纖的內包層中。採用透鏡直接耦合的方法，可以獲得高功率的雷射輸出。但由於穩定性較差，商用光纖雷射器一般不採用此類方法。光纖端面熔接耦合是端面抽運的另外一種方式。採用帶尾纖輸出的大功率LD，尾纖與雙包層光纖的一端熔接起來，在熔接處雙包層光纖的纖芯上刻錄光纖布拉格光柵，另一端拋光以構成諧振腔。美國密西根州大學研製的四級放大脈衝光纖放大器中的前兩級單模光纖放大採用的就是光纖端面熔接耦合方式[5]。雖然該方式結構牢固，但作為抽運源的大功率LD 列陣須用半導體製冷，所發出的雷射需要經過光束整形、準直、非球面鏡聚焦耦合到直徑為幾百微米的光纖中，因此整機體積較大，構造複雜，成本較高。

除上述的端面抽運技術外，國內外還相繼發展了多種側面耦合技術，如V 形槽側面抽運、微稜鏡側面耦合抽運、內嵌反射鏡側面抽運、光纖側面膠合抽運等，其耦合效率分別可達90%、88%、91%、90%。側面耦合技術耦合效率較高，但是加工工藝較為複雜，成本較高。

在全球範圍內，全光纖雷射器是光纖雷射器實用化和產業化的最佳途徑，也是目前進入商業化和產業化最受重視的技術方案。我國在高功率光纖雷射器的研究方面已經取得重要進展。