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纳秒量级脉冲光纤激光器研究进展分析

导读: 近年来随着半导体包层抽运技术的改进和新型大模场面积双包层光纤以及光纤光子晶体光纤(PCF)的不断出现,加上光纤激光器结构紧凑、转换效率高、易于热管理和高光束质量等固有优势,脉冲光纤激光器在诸如切割、焊接和打孔等激光材料加工领域的应用已经逐步取代了部分的全固态脉冲激光器。

  1 引  言

  近年来随着半导体包层抽运技术的改进和新型大模场面积双包层光纤以及光纤光子晶体光纤(PCF)的不断出现,加上光纤激光器结构紧凑、转换效率高、易于热管理和高光束质量等固有优势,脉冲光纤激光器在诸如切割、焊接和打孔等激光材料加工领域的应用已经逐步取代了部分的全固态脉冲激光器。2010年国外已能实现飞秒量级平均功率近千瓦的脉冲输出,利用啁啾脉冲放大技术,在兆赫兹重复频率下单脉冲能量达毫焦量级的研究成果也已见报道。国内利用国产大模场面积双包层光纤也取得了许多研究进展。可见,相比于传统全固态激光器和连续光纤激光器,脉冲光纤激光器的发展潜力是巨大的。

  而作为脉冲光纤激光器的一个分支,高重复频率、高平均功率、毫焦量级的调Q 双包层光纤激光器的出现使得大型激光加工系统得以高性能稳定集成,并且随着光纤光栅制作技术以及各种带尾纤光纤器件产品趋于成熟,光纤激光器正向全光纤方向发展,很可能带动新一代激光产业向前发展。另外,高重复频率、高平均功率、脉宽为纳秒量级的光纤激光器在遥感、相干雷达系统以及精密加工领域的应用价值也逐渐地被人们发现并加以利用,国内在这一方向的研究近两年也取得了一些进展,所以纳秒量级的脉冲光纤激光器已经并将继续成为国内外一个热门的研究方向。

  本文简要介绍声光调Q 方式和种子源主振荡功率放大(MOPA)结构这两种获取纳秒量级脉冲激光输出的典型结构,并基于相应原理分析各自的关键性技术。重点概括并对比国内外在该方向的研究进展,以归纳目前限制脉冲光纤激光器发展的若干问题,并提出一些有效可行的解决方法,其中最重要的就是光纤热损伤管理和非线性效应的抑制,最后对脉冲光纤激光器的应用和发展前景进行展望。

  2 纳秒量级脉冲光纤激光器产生机理

  2.1 调Q 脉冲光纤激光器典型装置及原理

  纳秒量级的脉冲通常由调Q 方式获取,是在连续输出的光纤激光器腔内加入调Q 器件,周期性改变腔内损耗(Q 值)实现脉冲输出。由于调Q 脉冲能量主要取决于模场面积、激活离子上能级寿命和Q 开关的调制深度,所以为了得到高的单脉冲能量,常常采用具有高衍射损耗的声光调制器(AOM),即为声光调Q 机制,主动调Q 的一种。利用声光调Q 而成的脉冲光纤激光器典型装置如图1所示。

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