大模場面積光纖高功率光纖激光器與光纖放大器

    隨著大功率半導(dǎo)體激光技術(shù)的發(fā)展，半導(dǎo)體激光泵浦的固體激光器（DPSSL）在很大程度上克服了燈泵浦固體激光器的效率低、規(guī)模難以擴(kuò)大、亮度隨規(guī)模擴(kuò)大而增大有限、介質(zhì)熱變形導(dǎo)致的光束質(zhì)量下降等問題。隨著半導(dǎo)體激光器陣列價格的下降和固體激光器性能的提高，高功率DPSSL必將獲得更為廣泛的應(yīng)用。雖然DPSSL相對于CO2和燈泵Nd：YAG具有很大的優(yōu)越性和競爭力，但由于在激光產(chǎn)生時總有一部分能量以無輻射躍遷的方式轉(zhuǎn)換為熱，對于常規(guī)的棒狀DPSSL，高功率時存在嚴(yán)重的熱透鏡和熱致雙折射效應(yīng)，從而使得光束質(zhì)量下降。這部分熱能量如何從棒狀激光介質(zhì)中散發(fā)、排除，成為獲得高光束質(zhì)量、高功率輸出的關(guān)鍵。將塊狀激光介質(zhì)做成薄片或拉成細(xì)長光纖形狀，將會有效增大散熱表面積，使表面積/體積比大大提高，有利于固體激光器散熱問題的解決，這就是高功率固體激光器發(fā)展的兩個重要方向：薄片激光器和光纖激光器。  

　　通常所說的光纖激光器，就是采用光纖作為激光介質(zhì)的激光器，通過在光纖基質(zhì)材料中摻雜不同的稀土離子，獲得所對應(yīng)波段的激光輸出。對于常規(guī)的單模光纖激光器，要求注入到纖芯的泵浦光也必須為單模，這限制了泵浦光的入纖效率，導(dǎo)致光纖激光器的輸出功率和效率較低。雙包層光纖的提出，為提高光纖激光器的輸出功率和轉(zhuǎn)換效率提供了有效的技術(shù)途徑，改變了光纖激光器只能作為一種小功率光子器件的歷史?？紤]到量子轉(zhuǎn)換效率、抗激光損傷閾值和基底損耗等原因，摻鐿石英雙包層光纖是實(shí)現(xiàn)高功率光纖激光器或放大器的最佳選擇。隨著雙包層光纖制作工藝和高功率半導(dǎo)體激光泵浦技術(shù)的發(fā)展，單根雙包層光纖激光器的輸出功率逐步提高，連續(xù)輸出功率已經(jīng)達(dá)到千瓦級。  

大模場面積雙包層光纖 
 
　　雙包層光纖中折射率呈典型的階躍式分布，對于圓形的摻雜纖芯，雙包層光纖激光器能否實(shí)現(xiàn)單模激光輸出，取決于纖芯的直徑d和數(shù)值孔徑NA0，實(shí)際的單模條件為歸一化頻率。  

　　要保證雙包層光纖激光器實(shí)現(xiàn)單模激光輸出，纖芯的參數(shù)必須滿足上述條件。實(shí)際上，對于雙包層光纖激光器來說，由于所用光纖較長，加之散射、光纖彎曲等因素的影響，當(dāng)歸一化頻率2.4就雙包層光纖本身來說，提升光纖激光器輸出功率的障礙主要來自于摻雜纖芯，一是光纖端面的激光損傷，二是光纖中的非線性效應(yīng)。純石英的激光損傷閾值非常高，在脈沖激光下的損傷閾值約為100W/祄2，以此計算，典型單模纖芯似乎可以實(shí)現(xiàn)高達(dá)千瓦量級激光功率輸出。實(shí)際上，100W/祄2是脈沖激光的峰值功率密度，對于連續(xù)激光來說，石英的激光閾值會遠(yuǎn)小于此值。特別是對于摻雜石英光纖來說，由于摻雜引起的純度和均勻性的降低，大大降低了光纖端面的激光損傷閾值。為了保證光纖激光器的穩(wěn)定與可靠，在光纖激光器設(shè)計時一般取1.5W/祄2。據(jù)此，對于典型的6～10祄纖芯直徑的雙包層光纖來說，其可能實(shí)現(xiàn)的激光功率也就在百瓦量級。  

　　由于雙包層光纖激光器纖芯中的激光功率密度非常高，且光纖較長，很可能產(chǎn)生非線性效應(yīng)。光纖中主要的非線性效應(yīng)包括：受激布里淵散射（SBS）、受激拉曼散射（SRS）和自相位調(diào)制（對脈沖激光來說）。對于窄帶、連續(xù)波的激光在光纖中的傳輸，布里淵散射閾值Pth-B和拉曼散射閾值Pth-R分別可以按下式來粗略地估算： 

　　其中g(shù)B和gR分別表示布里淵增益系數(shù)和拉曼增益系數(shù)，Score表示纖芯的橫截面積，Leff表示有效作用長度。由于拉曼增益gR比布里淵增益gB低100倍以上，所以光纖中的拉曼散射閾值Pth-R遠(yuǎn)高于布里淵散射閾值Pth-B。正因如此，對于窄譜線光纖激光器來說，限制輸出功率、提升主要非線性效應(yīng)是光纖中的受激布里淵散射。根據(jù)公式，通過增大纖芯面積和減小光纖長度，可增大受激布里淵散射的閾值，有利于更高功率激光的輸出。  

　　根據(jù)公式，為了實(shí)現(xiàn)低階模、高光束質(zhì)量的激光輸出，并且盡可能克服端面激光損傷和非線性效應(yīng)這兩個因素對功率提高帶來的限制，在設(shè)計和選用光纖時，應(yīng)盡量減小NA0，并相應(yīng)增大纖芯直徑（如圖1），從而使得基橫模LP0的模場直徑變大。這種通過降低NA實(shí)現(xiàn)大纖芯直徑的技術(shù)稱為大模場面積光纖（large-mode-area fiber，LMAF）技術(shù)。但是，由于光纖材料選擇本身的限制，對于折射率階躍分布的雙包層光纖來說，纖芯NA0也不可能很小。目前技術(shù)上可實(shí)現(xiàn)的最小NA0為0.05～0.06，對應(yīng)最大的單模纖芯直徑約為17祄。纖芯面積的增大一方面提高了激光損傷和非線性效應(yīng)的閾值，同時還使得光纖的儲能增加，有利于提高脈沖能量；另一方面，纖芯和內(nèi)包層橫截面積之比也大大增加，提高了光纖對泵浦吸收的效率，這樣就可以采用較短的光纖實(shí)現(xiàn)高功率激光輸出。同樣，光纖長度的變短也有利于克服非線性效應(yīng)對輸出功率提高的限制。  

　　正是由于大模場面積光纖的出現(xiàn)，再加上高功率泵浦耦合技術(shù)的發(fā)展，才使得近兩年光纖激光器的輸出功率得以快速提高。從技術(shù)上講，雖然可以通過控制光纖材料和拉制工藝降低NA0，但從目前的報道來看，高功率光纖激光器所用光纖的NA0在0.7～0.9之間，即使V=4.0，相應(yīng)的最大纖芯直徑不超過20祄?？紤]到光纖端面的激光損傷和光纖中的非線性效應(yīng)，單根雙包層光纖要實(shí)現(xiàn)上千瓦級的功率輸出，就要突破單模光纖的限制，采用多模雙包層光纖，這就又帶來光纖激光的多模場振蕩問題。大模場面積光纖激光的多模輸出是不希望出現(xiàn)的，為了克服這一問題，人們在光纖結(jié)構(gòu)設(shè)計及光纖盤繞方式上進(jìn)行了深入研究，提出了實(shí)現(xiàn)低階模激光輸出的模式控制或模式選擇技術(shù)。  

　　采用光子晶體光纖的概念，在光纖的內(nèi)包層摻雜纖芯的周圍按一定的規(guī)律排布空氣小孔，以起到調(diào)制內(nèi)包層折射率、使內(nèi)包層的等效折射率降低的目的。采用這種技術(shù)的光子晶體雙包層光纖實(shí)現(xiàn)了單模大模場直徑，單模模場面積可達(dá)1000祄2。  

高功率連續(xù)波光纖激光器  

　　連續(xù)輸出的高功率雙包層光纖激光器的結(jié)構(gòu)比較簡單，采用的是基本的F-P腔型。為了實(shí)現(xiàn)泵浦光到雙包層光纖內(nèi)包層的高效注入，目前已經(jīng)有多種泵浦耦合技術(shù)，如透鏡直接聚焦耦合技術(shù)、V形槽耦合技術(shù)、內(nèi)嵌反射鏡耦合技術(shù)、熔錐側(cè)面耦合技術(shù)等。但在高功率光纖激光器中，最簡單有效的泵浦耦合方式為透鏡直接聚焦耦合，可以采用單端或雙端將泵浦耦合入光纖內(nèi)包層。  

　　對于內(nèi)包層數(shù)值孔徑為NA1，橫截面積為Sclad的雙包層光纖，若泵浦光的亮度用B（W/cm2.ster）表示，內(nèi)包層中可以傳輸?shù)谋闷止夤β蔖T可表示為，  可見，對于一定的泵浦光亮度，增大內(nèi)包層尺寸Sclad和NA1有利于更大的泵浦光功率的傳輸，因此，為了實(shí)現(xiàn)高功率泵浦光的注入，一方面發(fā)展高亮度泵浦源技術(shù)，提高泵浦光亮度；另一方面雙包層光纖的內(nèi)包層尺寸應(yīng)較大，一般應(yīng)大于300祄2，數(shù)值孔徑一般應(yīng)大于0.33。  

　　上海光機(jī)所于2001年底開始雙包層光纖激光器的研究，相繼實(shí)現(xiàn)了輸出功率為4.9W、50W、115W、444W的連續(xù)雙包層光纖激光器。在摻鐿雙包層光纖的研發(fā)方面，上海光機(jī)所同烽火通信科技股份有限公司合作，實(shí)現(xiàn)了高性能雙包層光纖的國產(chǎn)化。在2005年實(shí)現(xiàn)的444W連續(xù)輸出光纖激光器中，采用的就是由烽火通信科技股份有限公司提供的雙包層光纖，光纖長度15米，內(nèi)包層為D形450/400祄，NA為0.37，纖芯為30祄。借助于半導(dǎo)體激光的光束整形、空間濾波和非球面耦合技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了高功率泵浦光到雙包層光纖的高效率耦合，獲得了波長1.1祄、功率為444W的連續(xù)激光輸出。2006年11月，上海光機(jī)所采用由烽火科技提供的新型大模場直徑雙包層光纖，單根光纖獲得了1050W的激光輸出，斜率效率為78％。  

基于MOPA方式的脈沖光纖激光器  

　　對于連續(xù)工作的光纖激光器，光纖本身就是工作物質(zhì)，一般采用結(jié)構(gòu)簡單的F-P腔結(jié)構(gòu)，這樣無需在腔內(nèi)放置其他光學(xué)元件就可以獲得高功率的激光輸出。但如果從應(yīng)用目標(biāo)出發(fā)，連續(xù)工作的光纖激光能提供的靶面功率密度較低，脈沖工作的光纖激光或許更為有用。 

　　脈沖雙包層光纖激光器是一種新型激光器，和普通的固體激光器相比，雙包層光纖激光器具有很高的“表面積/體積”比，散熱效果好，具有很高的轉(zhuǎn)換效率和很低的閾值。雙包層結(jié)構(gòu)使泵浦光有較大的可入射面積，當(dāng)光沿纖芯傳播時，泵浦摻雜纖芯將產(chǎn)生亮度很高，而且光束質(zhì)量接近衍射極限的激光輸出。雙包層光纖激光器在產(chǎn)生高平均功率脈沖激光方面具有相當(dāng)大的潛力，它們可以成為替代某些調(diào)Q或鎖模激光器的另一種高效多用途激光器。 

　　在所有的摻雜光纖中，摻Y(jié)b光纖的優(yōu)點(diǎn)最為突出，摻Y(jié)b石英材料具有優(yōu)良的儲能性能(32J/cm2的飽和能量，870祍上能級壽命)，很寬的增益譜(975~1200nm)，在LD的泵浦下，摻Y(jié)b光纖可以產(chǎn)生激光，還可以用來放大激光脈沖以提供高功率脈沖。脈沖雙包層光纖激光器在通訊、醫(yī)學(xué)、工業(yè)加工、生物學(xué)等領(lǐng)域有很大的應(yīng)用價值。  

　　脈沖輸出的雙包層光纖激光器大體上可分為內(nèi)置調(diào)Q器件的調(diào)Q脈沖光纖激光器、利于非線性效應(yīng)的脈沖光纖激光器和種子源主振蕩放大（MOPA）脈沖光纖激光器三種。其中MOPA方式是實(shí)現(xiàn)高脈沖能量、高平均輸出功率的理想方式。在這種方式中，采用高光束質(zhì)量、小功率的固體或光纖激光器為種子光源，雙包層光纖為放大器，借助于連續(xù)光纖激光器的泵浦耦合方式，就可以實(shí)現(xiàn)對種子光源的高功率放大。同樣，對于常規(guī)的單模雙包層光纖，由于纖芯細(xì)小，儲能有限，放大輸出的脈沖能量較小，大模場雙包層光纖在高平均功率放大器中同樣非常重要。 
 
面積光纖激光器光束質(zhì)量的改善  

　　上海光機(jī)所最近開展了基于MOPA方式的高重復(fù)頻率脈沖雙包層光纖激光器的研究。以高重復(fù)頻率(20~1000KHz可調(diào))的固體激光器作為種子源，以中心波長在975nm的高功率LD模塊為泵浦，采用種子光和泵浦光從兩端分別注入的方式，2003年10月獲得了平均功率為6W的放大激光輸出，波長為1064nm。通過和烽火通信合作，拉制出摻Y(jié)b大模場面積的高摻雜雙包層光纖（內(nèi)包層D形 650/600祄，NA 0.37, 纖芯 43祄），實(shí)現(xiàn)了特種雙包層光纖的國產(chǎn)化。采用4m的國產(chǎn)雙包層光纖作為放大器，通過空間濾波和非球面耦合光學(xué)系統(tǒng)，解決了種子光注入和泵浦光的高效耦合等問題，實(shí)現(xiàn)了高重復(fù)頻率、高平均功率的脈沖放大輸出。在重復(fù)頻率為100kHz時，實(shí)現(xiàn)了133.8W平均功率的脈沖激光輸出。  

　　由于非線性效應(yīng)和纖芯激光損傷的限制，常規(guī)單模雙包層光纖的輸出功率有限。增大纖芯直徑有利于克服非線性效應(yīng)和纖芯端面的激光損傷，從而可大幅度提高單根光纖的輸出功率。但是纖芯橫截面積的增大，也使得光纖激光器纖芯支持了較多的高階模振蕩，導(dǎo)致輸出激光的光束質(zhì)量變差。為獲得高功率、高光束質(zhì)量的激光輸出，對大模場面積光纖激光器的模式控制尤為重要。  

　　不同環(huán)繞直徑下光纖激光器的光束質(zhì)量。  

　　(1) R=200mm， M2=1.78±0.17  

　　(2) R=93mm， M2=1.45±0.06  

　　(3) R=65mm， M2=1.23±0.05  

　　(4) R=20mm， M2=1.03±0.05  

1）纏繞法橫模控制技術(shù)  

　　纏繞光纖技術(shù)就是將一根多模增益光纖纏繞在一根圓柱型心軸上，選擇圓柱型心軸的半徑能夠?qū)＃↙P01）實(shí)現(xiàn)低損失而對LP11模和其他的高階模式實(shí)現(xiàn)高損失。彎曲損耗可以被看成一個分布式的空間濾波器。這種技術(shù)的原理是：基模LP01對彎曲損耗最不敏感，而高階模的彎曲損耗比較大，從而實(shí)現(xiàn)對高階模的抑制。它可以允許纖芯直徑大大超過單模限制，這樣光纖激光器和放大器就能提高到更高的峰值功率和平均功率。再者，對于給定內(nèi)包層面積的雙包層光纖，泵浦吸收功率是隨纖芯直徑的平方而增加的，在增大纖芯直徑的情況下就可以使用更短的光纖了。另外，如果同時增加纖芯和內(nèi)包層就可以使用更大的更高功率泵浦源，而不必受到必須使用長光纖的限制。  

　　上海光機(jī)所使用武漢烽火通信提供的摻Y(jié)b大模場面積的高摻雜雙包層光纖進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，光纖內(nèi)包層D形400/350祄，NA 0.37， 纖芯 16祄，NA0.10，纖芯的歸一化頻率V≈4.61，可支持四個LP模的振蕩，光纖長度為8.5m。實(shí)驗(yàn)中通過采用不同的環(huán)繞半徑來纏繞光纖，來實(shí)現(xiàn)各高階模式的濾除，最后獲得了光束質(zhì)量因子M2=1.03的激光輸出。
 
 2）光纖拉錐法橫?？刂萍夹g(shù)  

　　采用光纖拉錐技術(shù)實(shí)現(xiàn)模式控制的原理：可以將光纖的拉錐部分看成一個模式濾波器（mode filter，MF）。這種MF理論是Z. Haas和M. A. Santoro提出的，當(dāng)時他們是在一根多模光纖的兩端都纖芯對纖芯串聯(lián)式直接焊接一根單模光纖，目的是為了提高多模光纖的帶寬，光波在這根焊接的光纖中傳輸時，將單模光纖看成一個光學(xué)小孔。由于纖芯的直徑不同，這個模式濾波器在光纖連接處能夠產(chǎn)生高的損耗。后來研究人員看到這個MF功能可以用傳統(tǒng)的光纖拉錐技術(shù)實(shí)現(xiàn)，也就是將一根光纖的纖芯尺寸由大變小，光纖的拉錐部分就引入了MF。在光纖拉錐過程中光纖的芯徑與包層一樣按同樣比例收縮變小，光纖拉錐到什么程度是由拉錐區(qū)僅僅支持單模傳輸而定的，這樣光纖的拉錐部分也可看成一個光學(xué)小孔，這個小孔大小正好讓單模傳輸，而已經(jīng)存在的高階模式不能通過小孔，最后光纖激光腔中就只有單模振蕩輸出。  

　　上海光機(jī)所使用一根摻Y(jié)b大模場面積的高摻雜雙包層光纖（內(nèi)包層D形 650/600祄，NA 0.48, 纖芯 43祄，NA0.08，纖芯的V值約為9.9，長度為12m）進(jìn)行拉制。在離光纖激光器輸出端約5mm處拉制一錐形區(qū)，錐形區(qū)長度為20mm，錐形區(qū)束腰處D向內(nèi)包層尺寸為136/125.6，纖芯的直徑約為9祄。在拉錐前后，分別測量了光纖激光器的輸出光束質(zhì)量和輸出功率。與拉錐前相比，雖然拉錐后最大輸出功率減小了約30.6％，但其輸出光束亮度增大為原來的5.28