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大功率光纤激光器技术及应用详解

导读: 所谓光纤激光器就是利用稀土掺杂光纤作为增益介质的激光器,它的发展历史几乎和激光器技术一样长。

  所谓光纤激光器就是利用稀土掺杂光纤作为增益介质的激光器,它的发展历史几乎和激光器技术一样长。早在20世纪60年代初,美国光学公司的E.Snitzer等人就已经提出了掺稀土元素光纤激光器和放大器的构想,但直到20世纪80年代,随着激光二极管泵浦技术的发展和双包层结构光纤的提出,光纤激光器才进入了一个蓬勃发展的阶段。最近十年,适合各种不同应用目的和领域的光纤激光器已雨后春笋般涌现于世。

  光纤激光器具有传统激光器难于比拟的巨大优势:输出光束质量好、体积小、无需冷却或是冷却结构简单、能量转化效率高等,大大降低了运行成本,使其获得了飞快发展。

  1 工作原理及关键技术

  同其他类型激光器一样,光纤激光器主要由泵浦源、谐振腔和增益介质三要素构成,具体包括泵浦LD、DCDF、大模场FBG和光纤合束器等,如图l所示。光纤激光器的所有器件均可由光纤介质制作,因此光纤技术是决定光纤激光器性能的关键因素。

  1.1 特种光纤技术

  起初,光纤激光器采用直径小于10μm的掺杂纤芯作为激光和泵浦光的共同波导,由于LD泵浦光只能从面积极小的端面进入纤芯且只能采用单模LD泵浦,导致泵浦耦合效率很低,光纤激光器输出功率不高,限制了其应用。1988年,E.Snitzer等人提出了基于包层泵浦技术的双包层结构光纤使得这一问题得到解决。

  双包层光纤结构如图2所示,它是在单包层光纤的基础上围绕掺杂纤芯增加了一个内包层作为泵浦光的传输波导,多模泵浦光可在内包层中传输并不断穿越纤芯而被其中的掺杂离子吸收,而产生的激光仍由纤芯波导传输以保证其高光束质量。双包层光纤的内包层直径一般在40~500μm,NA一般在0.2~O.5之间,用以传输大功率多模泵浦光;掺杂纤芯直径一般在5-50μm,NA在0.05—0.22之间,对于具有大模场面积的双包层光纤,虽然理论上其纤芯支持多种模式,但可以通过弯曲损耗等方法使其输出单模激光。由于内包层有较大的截面积和数值孔径,可容许千瓦级多模半导体泵浦激光进入其中,从而大大提高了光纤激光器的单模输出功率。纤芯的掺杂浓度以获得高泵浦吸收,避免浓度淬灭效应和热学问题,降低背景损耗为标准。

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