摻Y(jié)b_3_雙包層光纖激光器的理論及實驗研究

1、收稿日期:2007-04-30基金項目:福建省科技計劃重點項目 (2005H089作者簡介:戴賢哲 (1982-,男,福建漳州人,碩士,主要從事雙包層光纖激光器的研究工作。 Email:joiet 摻 Yb 3+雙包層光纖激光器的理論及實驗研究戴賢哲,羅正錢,葉陳春,蔡志平,李齊波,康 赟(廈門大學(xué) 電子工程系,福建 廈門 361005摘 要:文中報告了摻 Yb 3+雙包層光纖激光器的理論和實驗研究工作。在穩(wěn)態(tài)條件下,基于速 率方程推導(dǎo)了摻 Yb 3+雙包層光纖激光器在強泵浦條件下的簡化型解析解。 實驗上, 利用 975 nm大功 率半導(dǎo)體激光作為泵浦源, 采用單端泵浦技術(shù), 獲得了 88 W

2、波長為 1 082.4 nm的連續(xù)激光輸出, 斜 效率高達(dá) 84.4%。實驗結(jié)果與理論的簡化型解析解相比較,兩者基本一致。關(guān)鍵詞:光纖激光器; 雙包層光纖; 解析解中圖分類號:TN248 文獻(xiàn)標(biāo)識碼:A 文章編號:1007-2276(2007增 (激光 0032-04Theoretical and experimental study of Yb3+-dopeddouble-clad fiber laserDAI Xian-zhe, LUO Zheng-qian, YE Chen-chun, Cai Zhi-ping, Li Qi-bo, Kang Yun(Department of Elec

3、tronic Engineering,Xiamen University,Xiamen 361005,ChinaAbstract: Studies of Yb3+-doped double-clad fiber lasers(Yb-DCFL are reported. Under the steady-state conditions, a simplified analytic solution is deduced in the strongly pumped condition based on the rate equations. Using a 975 nm laser diode

4、 (LD as the pump source, we obtained 88 W CW output laser power at a wavelength of 1 082.4 nm is obtained. The slope efficiency is as high as 84.4%. The experimental results and theoretical ones from our analytic solution match very well.Key words: Fiber laser; Yb 3+-doped double-clad fiber; Analyti

5、c solution0 引 言雙包層光纖激光器作為一種新型的高功率激光 器件,由于光束質(zhì)量好、效率高、易于散熱等特點, 在許多領(lǐng)域都具有巨大的應(yīng)用前景, 如激光加工、 光 通信、 軍事、 醫(yī)療等領(lǐng)域。 隨著光纖設(shè)計和工藝的改 進(jìn)、高功率半導(dǎo)體二極管陣列激光技術(shù)的成熟 , 雙包 層光纖激光器近幾年倍受國內(nèi)外學(xué)者關(guān)注, 且商業(yè)化 開發(fā)應(yīng)用已形成一定規(guī)模。 2004年, Jeong 等人研制 成功輸出功率達(dá) 1.36 kW波長為 1.1 µm 的大模場摻Y(jié)b 3+雙包層光纖激光器(Yb-DCFL 1。 2005年, Gaponstev 通過整合多個百瓦級的雙包層光纖激光源 獲得了高達(dá) 2

6、kW的激光輸出 2。同年, IPG 公司利 用種子光振蕩放大技術(shù)實現(xiàn)了單根光纖高達(dá)近 2 kW的準(zhǔn)單橫模激光輸出 3。近幾年,國內(nèi)有關(guān)雙包層光 纖激光器的實驗研究也取得了較大成功。 2006年中 科院上海光機(jī)所報道了采用雙端泵浦國產(chǎn)摻 Yb 3+雙 包層光纖實現(xiàn)了 714 W的高功率輸出 4。 清華大學(xué)也 獲得了超過 700 W的輸出功率 5。 在理論方面, 國內(nèi) 外許多研究者也專門地研究了高功率雙包層光纖激增刊 戴賢哲等:摻 Yb 3+雙包層光纖激光器的理論及實驗研究 33光器的運轉(zhuǎn)特性。在忽略雙包層光纖散射損耗情況 下, Kelson 和 Hardy 已經(jīng)推導(dǎo)了摻 Yb 3+雙包層光纖 激

7、光器的輸入輸出關(guān)系、 激光閾值、 斜效率、 最優(yōu)光 纖長度、 最佳輸出鏡反射率的解析表達(dá)式, 同時也給 出了在考慮散射損耗情況下的準(zhǔn)解析解 (必須執(zhí)行數(shù) 值迭代 6-7。 Xiao 等人在考慮散射損耗情況下,進(jìn) 一步獲得了其近似解析解 8。然而,他們的解析解在 較高輸出鏡反射率情況下存在較大的誤差。 當(dāng)輸出鏡 反射率為 20%時, 近似解析解相對于數(shù)值解的誤差達(dá) 到 6.4%。文中報道了在廈門大學(xué)開展的摻 Yb 3+雙包層光纖 激光器的理論和實驗研究工作。基于穩(wěn)態(tài)速率方程, 在考慮散射損耗情況下推導(dǎo)了摻 Yb 3+雙包層光纖激光 器的簡化型解析解,并將理論和實驗結(jié)果相比較。1 理論分析圖 1為

8、前向泵浦摻 Yb 3+雙包層光纖激光器的示 意圖,泵浦光通過左腔鏡 M 1后耦合進(jìn)雙包層光纖, 激光從光纖的右腔鏡 M 2輸出, R 1、 R 2分別是 M 1和 M 2的反射率。在實際情況中, M 1的反射率接近 1, 而 M 2的反射率較低。 圖 1 摻 Yb 3+雙包層光纖激光器示意圖Fig.1 Schematic of Yb-DCFL在穩(wěn)態(tài)條件下 , 雙包層光纖激光器的速率方程為 9 :s f a p a p p pp0s f sd ( exp( d ( 1( (/P z a P a F a z z hv P P z a P z A P z P z P +=+×+ (1 s

9、f a p a p p pp0s f sd (exp( d ( 1( (/P z a P a F a z z hv P P z a P z A P z P z P +=+×+ (2s fa p a p p ppf s( exp( 11( (/g z a P a F a z hv A P z P z P +=+×+ (3邊界條件為:1(0(0P R P += (4 2( ( P L R P L += (5式中:P +(z 和 P -(z 分別是腔內(nèi)正向傳播和反向傳播 的激光功率; g (z 是沿光纖的增益系數(shù); P p 是注入光 纖中的泵浦光功率; a a 為雙包層光纖的纖芯

10、對泵浦光 的吸收系數(shù); a p 和 a s 分別是雙包層光纖對泵浦光和 激光的散射損耗系數(shù); s 為激光的受激發(fā)射截面; f 是熒光壽命; hv p 是泵浦光子的能量; A f 是雙包層光 纖的纖芯有效截面面積; p 是泵浦模場在雙包層光纖 摻雜區(qū)域的交疊系數(shù); L 是雙包層光纖的長度; P s =(hv s /s f ·A f 是激光的飽和輸出功率; P 0是自發(fā)輻 射的功率。在強泵浦的情況下, 自發(fā)輻射將非常弱, 通常被 忽略(P 0=0 。從而,由公式(1和(2可以得到 如下的關(guān)系 6-9:( ( P z P z k += (6定義 (z =P +(z -P (z ,公式(6可

11、寫為:( ( ( P z P z z k += (7求解公式(7可得:( P z +=(8顯然 P +(z >0,所以 ( P z +=化簡后可得:( ( ( z P z P z +=+= (9在光纖不是太長且泵浦光足夠強的情況下, 信號 光在雙包層光纖中的增益總是大于損耗, 在 Z 的正方向上 P +(z 單調(diào)遞增, P -(z 單調(diào)遞減 , 因此, (z 在沿 Z 的正方向單調(diào)遞增。從公式(9可以看出 (z 沿 Z 正方向是單調(diào)遞增, 所以, (z 在 Z =0和 Z =L 分別取34 紅外與激光工程:先進(jìn)激光技術(shù)發(fā)展與應(yīng)用 第 36卷得最小值和最大值:min ( (0(0z P P

12、 +=+ (10 max ( ( ( z P L P L +=+ (11對于連續(xù)輸出摻 Yb 3+雙包層光纖激光器穩(wěn)態(tài)運 轉(zhuǎn)情況下應(yīng)滿足下列條件:s12(d ln( /2Lg z z a L R R = (12將公式(3代入公式(12可得:p a p s 12S 0exp( dln( /2(LF a a z A z a L R R P z +=+(13 式中:s f p a p sp fa P P A hv A =。為了簡化公式(13左邊的積分, 將公式 (10 和公式 (11 分別代入公式 (13 后求積分可得:1s P a p s 12( P L P += (14 P a p 22( s

13、P a p s 121( 1(1e (ln( /2aa LP L R A P a a a L R R +=×+ (15因此可以將 P +(L 寫成:12( ( 2P L P L P L +=(16從摻 Yb 3+雙包層光纖右側(cè)輸出的激光功率可以 寫成:out 2s P a p s 12(1 ( /2P R P L P +=×(17當(dāng) P out =0時,可以得到摻 Yb 3+雙包層光纖激光 器的閾值泵浦功率:P a p p f P a p s 12th (s f p a (ln( /2(1ea a Lhv A a a a L R R P a += (182 實 驗圖 2為摻

14、 Yb 3+雙包層光纖激光器的實驗裝置圖, 泵浦源為 LIMO200-F400-DL975大功率半導(dǎo)體激光 器, 從光纖輸出的連續(xù)波功率 200 W, 通過溫控裝置 可以將中心波長穩(wěn)定在 975 nm, 譜線寬度小于 5 nm。圖 2 摻 Yb 3+雙包層光纖激光器的實驗裝置圖Fig.2 Configuration of Yb-DCFL如圖 2所示,泵浦光經(jīng)過一對焦距為 25 mm、對 泵浦光和激光都增透的透鏡準(zhǔn)直聚焦后耦合注入雙包層光纖,泵浦光入纖效率達(dá) 78%。中科院上海光機(jī)所 提供的二向色鏡 D 1作為左腔鏡 (AR975 nm T >97% & HR1 080 nm R

15、>99% , 與雙包層光纖右端面構(gòu)成激光 腔。通過 45°角二向色鏡 D 2(HR975 nm R >97% & HT1 080 nm T >85%獲得激光輸出。摻 Yb 3+雙包層 光纖由美國 Nufern 公司提供,纖芯直徑 20 µm ,內(nèi)包層直徑 400 µm ,纖芯和內(nèi)包層數(shù)值孔徑分別為 0.06和 0.46,內(nèi)包層對波長 975 nm的泵浦光吸收系數(shù)為 2.0 dB/m,泵浦光和激光的散射損耗系數(shù)分別為 13 dB/km和 22 dB/km, 光纖長度 15 m。 光纖的兩端面 均被垂直拋光。當(dāng)泵浦光的入纖功率為 1.0 W時

16、, 開始有激光輸 出, 說明此時已達(dá)到激光器閾值。 繼續(xù)加大泵浦光功 率, 可測得不同泵浦功率下的激光輸出功率。 當(dāng)泵浦 光的入纖功率為 116 W時,獲得 88 W的 1 082.4 nm激光輸出。圖 3為摻 Yb 3+雙包層光纖激光器的輸入輸出關(guān) 系曲線, 其中實線代表了由解析解公式 (17 獲得的 輸入輸出曲線, 黑點為實驗數(shù)據(jù)。 從圖中可得, 激光 器斜效率為 84.4%, 實驗數(shù)據(jù)與簡化型解析解求得的 結(jié)果基本一致,兩者相對誤差小于 4%。增刊 戴賢哲等:摻 Yb 3+雙包層光纖激光器的理論及實驗研究 35 圖 3 激光輸出功率與泵浦功率的曲線Fig.3 Laser output p

17、ower vs. pump power圖 4為摻 Yb 3+雙包層光纖激光器在輸出功率約 為 88 W時的輸出光譜。 激光中心波長為 1 082.4 nm, 譜線寬度約 7 nm。激光為多縱模輸出主要源于我們 采用的雙向色鏡 D 1在 1 080 nm附近的反射帶寬較 大,而且 Yb 3+的發(fā)射譜特性也起到了一定的影響。 圖 4 輸出激光的光譜圖Fig.4 Spectrum of output laser3 結(jié) 論對單端泵浦摻 Yb 3+雙包層光纖激光器,在穩(wěn)態(tài) 條件下,基于速率方程推導(dǎo)了摻 Yb 3+雙包層光纖激 光器在強泵浦條件下的簡化型解析解。 與直接對速率 方程進(jìn)行求解相比較, 簡化型

18、解析解更加簡單、 方便。 實驗上, 利用 975 nm半導(dǎo)體激光二極管作為泵浦源, 當(dāng)入纖泵浦功率 116 W時, 獲得 88 W波長為 1 082.4 nm 的連續(xù)激光輸出,斜效率高達(dá) 84.4%。實驗結(jié) 果與解析解相比較,兩者基本一致。參考文獻(xiàn):1 JEONG Y,SAHU J K,PAYNE D N,et al.Ytterbium-doped large-core fiber laser with 1.36 kW continuous-wave output powerJ.Optics Express, 2004,12(25:6088-6092.2 GAPONSTEV D.Quasi-s

19、ingle-mode fiber laser nears 2-kW output with high-quality beamJ.Laser Focus World, 2005, 41(6:9.3 www. globalexecutiveforum. net/ more_photonics_News. Htm.4 ZHOU Jun, LOU Qi-hong, ZHU Jiang-qiang, et al. A continuous-wave 714W fiber laser with china-made large-mode-area double-clad fiberJ. Acta Optica Sinica,2006,26(7:1119-1120.5 LI Cheng, YAN Ping, CHEN Gang, et al. An output power over 700 W fiber laser w