共振泵浦摻釹雙包層保偏光纖激光器研究

1、共振泵浦摻釹雙包層保偏光纖激光器研究 天津大學(xué)碩士學(xué)位論文共振泵浦摻釹雙包層 保偏 光纖激光器的研究 Research on In-band pumped Nd-doped double-clad polarization maintaining fiber laser學(xué)科專業(yè):光電子技術(shù) 研 究 生:史春鵬 指導(dǎo)教師:丁欣 教授天津大學(xué)精密儀器與光電子技術(shù)學(xué)院 二零一二年十一月獨創(chuàng)性聲明本人聲明所呈交的學(xué)位論文是本人在導(dǎo)師指導(dǎo)下進行的研究工作和取得的研究成果,除了文中特別加以標(biāo)注和致謝之處外,論文中不包含其他人已經(jīng)發(fā)表或撰寫過的研究成果,也不包含為獲得 天 津大 學(xué) 或其他教育機構(gòu)的學(xué)位或證

2、書而使用過的材料。與我一同工作的同志對本研究所做的任何貢獻均已在論文中作了明確的說明并表示了謝意。學(xué)位論文作者簽名: 簽字日期: 年 月 日學(xué)位論文版權(quán)使用授權(quán)書本學(xué)位論文作者完全了解 天 津 大學(xué) 有關(guān)保留、使用學(xué)位論文的規(guī)定。特授權(quán) 天 津 大 學(xué) 可以將學(xué)位論文的全部或部分內(nèi)容編入有關(guān)數(shù)據(jù)庫進行檢索,并采用影印、縮印或掃描等復(fù)制手段保存、匯編以供查閱和借閱。同意學(xué)校向國家有關(guān)部門或機構(gòu)送交論文的復(fù)印件和磁盤。 (保密的學(xué)位論文在解密后適用本授權(quán)說明) 學(xué)位論文作者簽名: 導(dǎo)師簽名:簽字日期:年 月 日 簽字日期:年 月 日中 文 摘 要近紅外 1.06微米波段激光是最早被研究的激光波長之

3、一,該波長在激光測距、醫(yī)學(xué)科學(xué)研究、光譜研究、生命科學(xué)研究、激光加工、天文學(xué)研究以及國防軍事工業(yè)等諸多方面都具有重要的應(yīng)用價值。共振泵浦(包括直接泵浦和熱助推泵浦)摻釹雙包層光纖激光器具有輸出功率高、光束質(zhì)量好、散熱性良好以及結(jié)構(gòu)緊湊等優(yōu)勢,是優(yōu)良的 1.06微米激光光源。 本論文分析并實驗研究了 880nm直接泵浦摻釹雙包層保偏光纖激光器和888nm熱助推泵浦摻釹雙包層保偏光纖激光器在 1.06微米處的輸出特性,并與808nm傳統(tǒng)泵浦摻釹雙包層保偏光纖激光器的輸出特性進行比較,顯示了共振泵浦技術(shù)的優(yōu)越性。論文主要內(nèi)容及創(chuàng)新點歸納如下: 1. 分析雙包層光纖的結(jié)構(gòu),理論說明了內(nèi)包層形狀對泵浦光

4、吸收效率的影響以及雙包層光纖激光器的工作原理;闡述了雙包層光纖激光器的各種泵浦耦合技術(shù)并比較彼此的優(yōu)勢;介紹了雙包層光纖激光器的實用腔型。 2. 分析摻釹光纖能級結(jié)構(gòu),由四能級速率方程推導(dǎo)出傳統(tǒng)泵浦摻釹雙包層光纖激光器和共振泵浦摻釹雙包層光纖激光器中腔參數(shù)對輸出特性的影響,確定了實驗用光纖長度并計算了摻釹雙包層光纖激光器中的熱量情況。 3. 實驗研究了 880nm直接泵浦摻釹雙包層保偏光纖激光器的輸出特性,在最m激光輸出,相對吸收泵浦功率的閾值和整體斜率效率分別為 73mW和 60.19%,優(yōu)于傳統(tǒng)泵浦方式的 80mW閾值功率和 52.96%斜率效率。 4. 實驗研究了 888nm熱助推泵浦摻

5、釹雙包層保偏光纖激光器的輸出特性,在最大耦合功率為 11.28W的情況下,光纖吸收功率為 5.1W,對應(yīng) 3W的m激光輸出,相對吸收泵浦功率的閾值和整體斜率效率分別為 70mW和 60.93%,優(yōu)于傳統(tǒng)泵浦方式和直接泵浦方式。 5. 實驗對該光纖激光器系統(tǒng)的偏振特性進行了測量,三種泵浦方式下的偏振度分別為 0.818,0.796和 0.812,驗證了該系統(tǒng)具有較好的保偏特性。關(guān) 鍵 詞 :共振泵浦 直接泵浦 熱助推泵浦 摻釹雙包層光纖 近紅外 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 錄第一 章 緒論? 1 1.1 共振泵浦技術(shù)介紹 ? 1 1.2 摻釹光纖激光器的發(fā)展與現(xiàn)狀 ? 2 1.3 光纖激光

16、器的特點與應(yīng)用 ? 9 1.4 論文研究內(nèi)容 ? 10 第二 章 摻釹 光纖能級特性 與共振泵浦 技術(shù) ? 12 2.1 摻釹光纖的能級結(jié)構(gòu)與共振泵浦技術(shù)? 12 2.2 摻釹光纖激光器系統(tǒng)與摻鐿光纖激光器系統(tǒng)的比較? 16 第三 章 雙包 層光纖激光器 的結(jié)構(gòu)與工 作原理 ? 19 3.1 雙包層光纖激光器的結(jié)構(gòu)與工作原理 ? 19 3.1.1 雙包層光纖的結(jié)構(gòu)特性? 19 3.1.2 內(nèi)包層形狀對泵浦光吸收的影響 ? 20 3.1.3 雙包層光纖激光器的工作原理 ? 26 3.2 雙包層光纖激光器的泵浦耦合方式 ? 27 3.2.1 雙包層光纖激光器端面泵浦耦合技術(shù)? 27 3.2.2 雙

17、包層光纖激光器側(cè)面泵浦耦合技術(shù)? 29 3.3 雙包層光纖激光器的諧振腔類型? 33 3.3.1 線形腔結(jié)構(gòu)雙包層光纖激光器 ? 33 3.3.2 環(huán)形腔結(jié)構(gòu)雙包層光纖激光器 ? 34 第四 章 摻釹 雙包層光纖激 光器的數(shù)值 模擬 ? 36 4.1 光纖激光器系統(tǒng)的速率方程 ? 36 4.2 雙包層光纖激光器的數(shù)值模擬 ? 41 4.2.1光纖激光器系統(tǒng)中各參數(shù)對光纖激光器閾值的影響? 41 4.2.2 泵浦光功率和信號光功率沿光纖的分布 ? 43 4.2.3 光纖激光器系統(tǒng)中各參數(shù)對激光器輸出功率的影響? 46 4.2.4 摻釹雙包層光纖激光器的熱量分析與計算 ? 49 第五 章 摻釹 雙

18、包層 保偏 光 纖 激光器的 實驗研究? 53 5.1 摻釹雙包層保偏光纖激光器的實驗準(zhǔn)備 ? 53 5.1.1 光纖端面的處理? 535.1.2 半導(dǎo)體激光器泵浦源的輸出特性? 54 5.1.3 實驗系統(tǒng)耦合效率的測量 ? 58 5.2 摻釹雙包層保偏光纖激光器實驗研究 ? 60 m輸出實驗 ? 60 m輸出實驗 ? 62 m輸出實驗 ? 63 5.2.4 實驗結(jié)果分析比較? 63 本章小結(jié) ? 72 全文 總結(jié)? 73 參考 文獻? 74 發(fā)表 論文和參加科 研情況說明? 79 致 謝? 81第一章 緒論 第一章 緒論 1.1 共振泵浦技術(shù)介紹 傳統(tǒng)泵浦方式的摻釹固體激光器是使用 808

19、nm光源泵浦摻釹激光晶體發(fā)射1m激光。由于摻釹增益介質(zhì)在 808nm處存在很大吸收截面 ,這種泵浦方式長久以來被用于摻釹離子固體激光器。但與此同時,這種泵浦方式存在著產(chǎn)熱量高的問題,熱量的沉積嚴重的影響了激光器的輸出功率、斜率效率和光束質(zhì)量2等輸出特性 。究其內(nèi)在原因,一方面是由于泵浦光光子與信號光光子之間存在量子缺陷,即勢必以高能量的泵浦光光子的消耗來換取低能量的信號光光子的產(chǎn)生;另一方面,是處于高能級的釹離子不能夠百分之百的躍遷到激光上能級。為解決上述問題,人們提出了共振泵浦技術(shù)的概念。如圖 1-1所示,與 808nm傳統(tǒng)泵浦技術(shù)相比,共振泵浦技術(shù)的精髓在于利用對應(yīng)摻雜粒子吸收峰的長波長泵

20、浦光將粒子由基態(tài)能級直接泵浦到激光上能級,粒子再由激光上能級躍遷至激光下能級并發(fā)射光子。由于不存在粒子由高能級到激光上能級的無輻射躍遷過程,共振泵浦技術(shù)從根本上消除了這一部分熱量的產(chǎn)生,與此同時,共振泵浦技術(shù)所采用的泵浦光波長較傳統(tǒng)泵浦技術(shù)所采用的泵浦光波長要長,更接近信號光波長,從而從本質(zhì)上降低了量子缺陷?？梢?共振泵浦技術(shù)是解決熱量的產(chǎn)生而提高激光器輸出功率、斜率效率和改進光束質(zhì)量的根本性方法。圖 1-1a 傳統(tǒng)泵浦方式躍遷示意圖圖 1-1b 共振泵浦方式躍遷示意圖圖 1-1 傳統(tǒng)泵浦方式與共振泵浦方式的能級躍遷示意圖根據(jù)粒子初始所處的基態(tài)斯塔克能級位置的不同,可以將共振泵浦技術(shù)分為1 第

21、一章 緒論 直接泵浦技術(shù)和熱助推泵浦技術(shù)。由于斯塔克效應(yīng)的存在,粒子的各個能級并不是單純的一條譜線,而是分裂為若干個子能級。直接泵浦技術(shù)是將處于基態(tài)最低斯塔克能級的粒子泵浦到激光上能級的泵浦技術(shù);而熱助推泵浦技術(shù)是將處于非基態(tài)最低斯塔克能級的粒子(粒子通過熱激勵由最低斯塔克能級達到非最低斯塔克能級)泵浦到激光上能級的技術(shù); 3早在 Nd:YAG激光器發(fā)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晶體的直接泵浦技術(shù)。到了 20世紀 90年代末,隨著鈦寶石激光器泵浦源的應(yīng)用和半導(dǎo)體激光器技術(shù)的完善,共振泵浦技術(shù)受到廣泛的4 5重視。多年的實驗表明,共振泵

22、浦的固體激光器在斜率效率 ,產(chǎn)熱量 方面均優(yōu)于傳統(tǒng)泵浦技術(shù)?，F(xiàn)如今共振泵浦技術(shù)已經(jīng)成為固體激光器實現(xiàn)高功率、高效率、高光束質(zhì)量運轉(zhuǎn)的有效、實用泵浦技術(shù)。 1.2 摻釹光纖激光器的發(fā)展與現(xiàn)狀 1960年,西奧多?哈羅德?梅曼發(fā)明了人類歷史上第一臺激光器?紅寶石激光器,此后,各種媒質(zhì)的激光器相繼被科研工作者所研究、發(fā)明?，F(xiàn)如今,已經(jīng)實現(xiàn)了固體激光器、半導(dǎo)體激光器、光纖激光器、氣體激光器、染料激光器以及準(zhǔn)離子激光器等多種介質(zhì)的激光運轉(zhuǎn),而光纖激光器由于其結(jié)構(gòu)緊湊、散熱性好,高功率以及高光束質(zhì)量等優(yōu)勢,逐漸成為激光器領(lǐng)域中的焦點,被稱為二十一世紀初最偉大的發(fā)明之一。 6光纖激光器誕生于 1961年 ,

23、這一年美國光學(xué)公司的 E. Snitzer等人采用閃光燈泵浦光纖芯徑約為 304m處的受激輻射現(xiàn)象,這是世界上最早的關(guān)于光纖激光器研究的報道,而最早期的光纖激光器方面的研究工作主要由 E. Snitzer與其助手完成的。 71964年 , E. Snitzer與 C. J. Koester研究了摻釹玻璃光纖激光器當(dāng)中的受激放大現(xiàn)象,實驗當(dāng)中使用的信號源為摻釹玻璃激光棒產(chǎn)生的 1.06 微米激光,放大介質(zhì)為低折射率纖芯的單包層摻釹玻璃光纖,光纖長度為 1 米,光纖芯徑為10 微米且釹離子摻雜濃度為 2.5%,包層直徑為 0.75 到 1.5 毫米。此外,實驗還對光纖出射端面做 10°切

24、割處理,防止了光纖端面對信號光的反射形成激光振蕩情況的出現(xiàn)。實驗證明放大效果與泵浦光的能量以及泵浦光的脈寬有光,獲得的4增益系數(shù)高達 5×10 。8m 和m處的激光現(xiàn)象,閾值低于 2mW。次年,J. Stone 和 C. A. Burrus兩人又2 第一章 緒論 報道了室溫下連續(xù)運轉(zhuǎn)的摻釹光纖激光器,實驗首次使用砷化鎵半導(dǎo)體激光器端面泵浦 1 厘米長摻釹光纖介質(zhì),光纖芯徑為 35 微米,泵浦波長為 880nm,激光閾值為 200 微瓦;實驗還采用了 514.5nm 氬離子激光器端面泵浦摻釹光纖,在140mW入射泵浦光下獲得了室溫中 10mW的 1.06微米連續(xù)激光輸出,閾值泵浦功率僅

25、為 11mW。 此后的相當(dāng)一段長時間里,由于受到光纖制造工藝,泵浦源的改進等方面的制約,光纖激光器的研究一度停滯而缺乏進展。直到 20世紀 80年代,隨著光纖器件在通信領(lǐng)域應(yīng)用的快速擴展,光纖理論的革新與光纖拉制技術(shù)的改進,以及緊湊廉價型、高功率 LD生產(chǎn)技術(shù)逐漸成熟和穩(wěn)定,科研工作者們開始了新一輪光纖激光器的研究。 9英國南安普頓大學(xué)的 D. N. Payne和他的助手們作為先行者,于 1985年 首次報道了 GaAlAs半導(dǎo)體激光器泵浦的連續(xù)運轉(zhuǎn)二氧化硅基質(zhì)的單模摻釹光纖激光器,在 820nmGaAlAs半導(dǎo)體激光器泵浦的法布里-珀羅腔光纖激光器實驗中,得到了 20mW 的 1088nm

26、激光輸出,其閾值泵浦功率僅為 100W,極易產(chǎn)生激光振蕩輸出;本文還提出了摻釹全光纖環(huán)形腔的實驗方案,利用 595nm 染料激光器泵浦的摻釹環(huán)形光纖,在 20mW吸收泵浦功率下,得到 2mW的 1078nm激光輸出,其閾值功率低于 5mW。他們的實驗揭示了二氧化硅基質(zhì)光纖激光器具有高光光轉(zhuǎn)換效率的潛力。同年,該實驗小組成員使用自主研究和生產(chǎn)的摻稀土離子單模光纖,搭建光纖激光器實現(xiàn)激光振蕩輸出,進一步論證了低摻雜低損耗二氧化硅基質(zhì)光纖激光器的可行性。 101986年,D. N. Payne小組的 L. Reekie 在可調(diào)諧單模光纖激光器一文中提出了可調(diào)諧的三能級摻釹光纖激光器的概念,調(diào)諧范圍達

27、到 80nm。文章同時也對摻鉺離子可調(diào)諧光纖激光器做了相關(guān)的報道。 11同年,I. P. Alcock等人 利用 590nm染料激光器泵浦摻釹光纖,分別實現(xiàn)了室溫中摻釹單模光纖激光器的三能級和四能級可調(diào)諧連續(xù)輸出運轉(zhuǎn)。在 900nm波段的可調(diào)諧范圍為 45nm,激光線寬僅為 0.06nm,在吸收 53mW泵浦功率時的輸出功率為 3mW;在 1070nm波段的可調(diào)諧范圍為 65nm,在吸收 35mW泵浦功率時的輸出功率為 2mW,兩個波段的斜率效率分別為 5.66%和 5.71%。 121987 年 ,NTT 電子通訊實驗室的 M.SHIMIZU 和 H.SUDA 等人使用 LD泵浦長度為 10

28、m的摻釹二氧化硅單模光纖,獲得了 4.1mW的 1088nm激光輸出,激光發(fā)射譜寬為 6nm,閾值泵浦功率為 1.51mW。由于改進了激光器諧振腔,本實驗獲得了 55%的高斜率效率。此外,M.SHIMIZU 等人在本文中還對長光纖(200m)激光器進行了相應(yīng)的實驗研究,其閾值泵浦功率為 4.59mW,斜率效率為 14.6%。3 第一章 緒論 1988 年對于光纖激光器來講是極具意義的一年,在這一年美國 E.Snitzer 和13H. Po 等人提出了雙包層光纖的概念 并成功研制摻釹雙包層光纖,使得泵浦光不再局限于在纖芯中傳輸,而是可以在幾十倍于纖芯面積的內(nèi)包層之中以更大的角度傳輸。這種結(jié)構(gòu)的光

29、纖允許了廉價緊湊的多模激光器充當(dāng)光纖激光器的泵浦源,同時大大提高了增益光纖的吸收效率和輸出功率,從此光纖激光器的輸出功率逐漸可與固體激光器相比較。 141993年 ,H. Po 等人報道了自主制備的摻釹雙包層光纖激光器,他們使用807nm 光纖耦合輸出多模半導(dǎo)體激光器泵浦單模摻釹雙包層增益光纖,在約9.8W 的泵浦功率下,得到了 5W 的高功率 1064nm 連續(xù)激光運轉(zhuǎn),這是當(dāng)時此類光纖最高的輸出功率,實驗中的斜率效率也高達 51%。由于實驗中使用的是傳統(tǒng)的 F-P 腔,得到了 1059nm、1072nm以及 1094nm三處線寬約為 10nm的激光m,內(nèi)包層形狀為矩形,2尺寸為 100&#

30、215;300m 。 15同年,/.r 等人 首次報道了利用可移動的反射鏡作為被動鎖模啟動元件的摻釹鎖模光纖激光器。脈沖寬度僅為 42fs,單脈沖能量高達 1nJ。 161994年,J. S. Wang等人 報道了 1061nm激光運轉(zhuǎn)的摻釹亞碲酸鹽玻璃光纖激光器,這是科研人員首次研究亞碲酸鹽單模光纖激光器。實驗中使用 818nm鈦寶石激光器作為泵浦源,摻釹亞碲酸鹽玻璃光纖作為增益介質(zhì),光纖雙端直接切割形成 11.9%菲涅爾反射作為諧振腔鏡,獲得了單端輸出 23%的斜率效率,閾值泵浦光功率為 27mW。 171995 年,德國的 H. Zellmer 等人 進一步提高了摻釹光纖激光器的輸出功率

31、。他們利用 810nm半導(dǎo)體激光器系統(tǒng)泵浦摻釹雙包層光纖,在 35W泵浦功率m 高功率激光輸出,斜率效率為 26%,閾值泵浦功率小于 10mW。 18同年, M. Hofer等人 首次提出使用啁啾光纖布拉格光柵作為色散補償元件搭建自啟動被動鎖模摻釹光纖激光器。獲得了重復(fù)頻率 52MHz,脈寬 6ps,單脈沖能量高達 1.25nJ的鎖模脈沖輸出。 1996 年,M. Hofer 等人報道了寬調(diào)諧的摻釹飛秒光纖激光器,脈沖寬度為300400fs量級,調(diào)諧范圍超過 75nm。次年,M.Hofer等人報道了 920nm摻釹飛秒光纖激光器,單脈沖能量為 500pJ,脈沖寬度低至 53fs。 191998

32、年,德國的 Peter Glas和 Martin Naumann等人 研究對比了傳統(tǒng)雙包層光纖激光器和 M型光纖激光器中泵浦光的模場分布情況,證明了 M型光纖對泵浦光具有更高的吸收效率。并在實驗中利用 190cm長的 M 型摻釹光纖實現(xiàn)了近 10W的 1050nm激光輸出,斜率效率達到了 54%。4 第一章 緒論 201999年,M.Hofer等人 報道了 1065nm高能量摻釹亞皮秒光纖激光器,在17MHz的重復(fù)頻率下,得到輸出脈寬為 940fs,單脈沖能量達到 4nJ。 212001年,B. N. Samson和 P. A. Tick等人 研制高效摻釹玻璃陶瓷光纖激光器和放大器,通過研制高

33、效玻璃陶瓷光纖激光器,測試得到其斜率效率為 30%。單模光纖的核心內(nèi)由于嵌入摻釹氟化物晶體而受到了影響。釹離子極大地改變陶瓷工藝,突出的透明玻璃陶瓷材料為基礎(chǔ)的新的光學(xué)器件將具有巨大的發(fā)展?jié)摿Α?222002年,德國的 P. Glas和 D. Fischer報道了 包層泵浦的大模場面積摻釹多孔光纖激光器。實驗中所使用的光纖截面結(jié)構(gòu)如圖 1-2所示,摻釹離子纖芯被放置于微結(jié)構(gòu)多孔包層中,包層纖芯面積比達到 30:1,光纖長度只有 38cm。實驗中使用的光源 805nm半導(dǎo)體激光器,得到約 10mW的 1060nm激光輸出。實驗證明了這種光纖結(jié)構(gòu)更有利于摻釹離子對泵浦光的吸收,具有一定的應(yīng)用價值。

34、圖 1-2 微結(jié)構(gòu)光纖截面示意圖232005年, L. B. Fu等人 設(shè)計了緊湊式的反向泵浦可調(diào)諧摻釹雙包層光纖激光器(圖 1-3),實驗為了取得三能級激光運行模式,采用了 W型折射率光纖。在全反射端利用光纖布拉格光纖進行調(diào)諧,獲得了 920nm處近 15nm的調(diào)諧輸出。其中在 926.7nm 處獲得了最大激光輸出,達到 810mW 的,此時的斜率效率為49.3%。5 第一章 緒論圖 1-3 反向泵浦可調(diào)諧摻釹雙包層光纖激光器242006年,英國巴斯大學(xué)的 A. Wang,A. K. George等人 使用摻釹光子帶隙光纖來抑制四能級躍遷,構(gòu)建了 808nm 半導(dǎo)體激光器泵浦的三能級躍遷機制

35、摻釹光纖激光器,閾值泵浦功率為 70mW,在 907nm 發(fā)射波長處獲得了 32%的斜率效率。 2008年,波蘭的 J. Szela等人報道了摻釹雙包層保偏光纖激光器的研究,驗證了不同纏繞方式對激光器輸出功率的影響,并獲得了 32%的斜率效率。 2009年, R. Sims等人報道了二極管泵浦的非常大纖芯單模摻釹光纖激光器,光纖芯徑達到了 300微米,實驗中觀察到了纖芯當(dāng)中的單橫模激光運轉(zhuǎn),斜率效2率為 4.5%,并獲得了 M 1.05高質(zhì)量輸出光束。 2011年,日本的 M. Murakami等人報道了 4cm短腔單橫模摻釹石英光纖激光器,實驗利用 804nm單模半導(dǎo)體激光器泵浦摻釹石英光纖

36、,在 170mW泵浦功率下獲得了 1.99mW 的連續(xù)激光輸出,斜率效率為 1.39%,閾值泵浦功率為24.2mW。 我國在激光器方面的研究基本緊跟了國際先進水平的步伐,但在摻釹光纖激光器實驗研究方面起步較晚,直到 20世紀 90年代才逐漸的得到科研人員的重視,在 20余年的研究中,我國的科研人員也獲得了一些成果。 251990 年,西安交通大學(xué)的陳光德和龔華仁 使用 514.5nm 氬離子激光器泵浦 5 米長的摻釹單模光纖(摻釹濃度 300ppm),實驗中得到了最高 4.1mW 的1088nm連續(xù)激光輸出。閾值功率為 0.28mW,斜率效率達到了 11.5%。 261997年,周穩(wěn)觀等人 使

37、用發(fā)射 810nm附近的激光的激光二極管陣列作為泵浦源,泵浦 30米長的摻釹方形雙包層光纖(摻 Nd O 濃度為 0.5%質(zhì)量)。在2 3m激光輸出,閾值泵浦功率約為 500mW。 272003年,南開大學(xué)樊亞仙等人 使用 808nmLD泵浦摻釹雙包層光纖,實現(xiàn)了摻釹光纖激光器的窄線寬調(diào) Q運轉(zhuǎn)。實驗用光纖為 16米長 D形雙包層摻釹光6 第一章 緒論 纖,摻雜濃度為 0.13mol%,實驗中該光纖最大吸收泵浦功率為 3W。實驗采用Littrow結(jié)構(gòu)的體光柵與全反鏡構(gòu)成激光諧振腔,聲光 Q開關(guān)作為調(diào) Q元件,實現(xiàn)了 1064nm處的激光脈沖輸出,重復(fù)頻率 110KHz可調(diào),在 1KHz重復(fù)頻率

38、下的激光脈沖寬度為 800ns,單脈沖能量為 180J,平均功率 180mW,峰值功率達到了 225W,由于采用體光柵作為選頻元件,輸出激光線寬僅為 0.08nm。 282006年,天津大學(xué)姚建銓等人 報道了摻釹雙包層熊貓型保偏光纖激光器,實驗采用 F-P平平腔,光纖長度為 14米,芯徑為 5m。在入纖功率為 14W的條件下,獲得了 7.35W的激光輸出,斜率效率達到 52.5%,本文還就光纖彎曲形狀和曲率對激光器輸出功率和偏振度的影響進行了實驗驗證。 292007年,天津大學(xué)任廣軍等人 利用 808nmLD泵浦摻釹雙包層熊貓型保偏光纖,獲得了 1060nm和 1092nm處兩個發(fā)射峰。實驗中

39、使用二色鏡與垂直切割的光纖端面(自身帶有 4%菲涅爾反射)構(gòu)成光纖激光器的 F-P 諧振腔,光纖長度為 14米,在當(dāng)時現(xiàn)有泵浦功率下,獲得了 1060nm處 7.5W激光輸出功率,斜率效率達到了 56%。圖 1-4 摻釹光纖激光器發(fā)射光譜示意圖302008 年,上海光機所的唐玉龍 等人利用 LD 側(cè)面泵浦長度為 4cm 的摻釹雙包層光纖,獲得了平均功率為 lW、斜率效率為 10%的激光輸出。實驗中所使×0.5mm的矩形,纖芯數(shù)值孔徑達到 0.2。 由于釹離子 1.06 微米激光發(fā)射為四能級機制,使得摻釹雙包層光纖激光器在能級結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性,低閾值等方面與其他激光器相比表現(xiàn)出較大的優(yōu)勢,但

40、由于摻釹雙包層光纖激光器通常采用的泵浦源為 808nm 激光器,使得其存在著本質(zhì)的高泵浦光-信號光量子缺陷,從而影響了摻釹光纖激光器的輸出功率和斜率效率。20世紀 80年代以來,隨著雙包層光纖技術(shù)的提出以及 915nm、976nm半導(dǎo)7 第一章 緒論 體激光器工藝的提升和完善,摻鐿光纖激光器在輸出功率和斜率效率方面都展現(xiàn)了極大的優(yōu)勢,從而逐漸主導(dǎo)了 1.06微米光纖激光器市場。 311995 年,/.k 等人 首次報道了摻鐿雙包層石英光纖激光器,利用975nm光源包層泵浦摻鐿光纖,獲得了 500mW 的 1040nm 連續(xù)激光輸出,斜率效率高達 80%。 321997年, Lucent 公司的

41、 Kosinki和 Inniss 等人 報道了一種星形內(nèi)包層摻鐿光纖激光器,輸出功率高達 20W。 331999 年,SDL 公司的 V. Dominic 等人 使用 4 個 45W 的半導(dǎo)體激光器雙端泵浦摻鐿雙包層光纖激光器,得到 1120nm波長處 110W的激光輸出,斜率效率為 61.1%,光光轉(zhuǎn)換效率達到 58%。 342002 年,德國的 J. Limpert 等人 報道了雙波長半導(dǎo)體激光器(808nm 和975nm)共同泵浦釹鐿共摻光纖激光器的研究,在 45m光纖長度條件下,獲得了150W的激光輸出。IPG公司報道了 2kW的多模高功率摻鐿雙包層光纖激光器,同年 IPG公司又報道了

42、摻鐿雙包層光纖激光器 10KW的多模連續(xù)激光輸出。 352003 年,德國 V.Reichel 等人和英國南安普頓大學(xué) 相繼報道了 200W 和272W 的單模輸出摻鐿光纖激光器。IPG 公司和 SPI 公司也分別報道了 300W 和610W的商用單模摻鐿光纖激光器。 362004年,英國南安普頓大學(xué)的 Y. Jeong等人 利用半導(dǎo)體激光器雙端泵浦摻鐿光纖,獲得 1000W 的激光輸出,斜率效率達到 80%;同年,他們又報道了371360W 激光輸出的摻鐿光纖激光器 ,斜率效率高達 83%,Y. Jeong 也提出了單根光纖萬瓦量級輸出的可能性。 382005 年,Gaponstev等人 研

43、制了接近 2KW 輸出功率的高光束質(zhì)量的準(zhǔn)單39模光纖激光器。 2006年, IPG公司將單模光纖激光器的輸出功率提高到了 3kW ,至 2009年,IPG公司向客戶交付了第一臺 5kW功率單模摻鐿光纖激光器,該激2光器具有極高的光束質(zhì)量,光束衍射倍率因子 M 為 1.2。 40如今,國內(nèi)摻鐿光纖激光器的研究也進展的十分順利,南開大學(xué) ,上海光41 42學(xué)精密機械研究所 以及清華大學(xué) 等院校和研究所都研制了高功率高斜率效率的摻鐿光纖激光器,功率可達千瓦量級,斜率效率達到 70%。 隨著摻鐿光纖激光器在工業(yè),制造領(lǐng)域應(yīng)用的不斷增加,對摻鐿光纖激光器在功率方面的要求也逐漸的加大。在高功率運轉(zhuǎn)條件時

44、,摻鐿光纖激光器的弊端也有所顯現(xiàn)。由于鐿離子在 1.06微米處的激光發(fā)射屬于準(zhǔn)四能級結(jié)構(gòu),激光下能級不是獨立的能級,而是由基態(tài)能級斯塔克分裂獲得,其與基態(tài)最低斯塔克能級的距離很小且處于同一能級。當(dāng)介質(zhì)處于高溫環(huán)境時,處于基態(tài)最低斯塔克能級的粒子可能會受到熱激勵而躍遷至鐿離子的激光下能級,造成激光下能級粒子8 第一章 緒論 不能快速的排空,從而引起光纖激光器的整體不穩(wěn)定性,降低輸出功率和斜率效激光發(fā)射屬于標(biāo)準(zhǔn)四能級結(jié)構(gòu),激光下能級與基態(tài)能級完全分離,在高溫條件下,處于激光下能級的釹離子仍然能夠快速的躍遷到基態(tài)能級,保證粒子數(shù)反轉(zhuǎn),實現(xiàn)激光器的穩(wěn)定運轉(zhuǎn)。同時,共振泵浦技術(shù)已經(jīng)在摻釹晶體當(dāng)中應(yīng)用而獲得了良好的效果,摻釹光纖在 880nm處存在一個寬的吸收峰,吸收波長延伸至 920nm子效率要高于 808nm傳統(tǒng)泵浦方式,而且可以與摻