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无包层 Yb:YAG 晶体光纤纯波导激光器

导读: 正如块体固态激光器一样,从使用掺杂玻璃到使用掺杂单晶增益介质的转变,是提升单台光纤激光器输出功率的重要一步。

OFweek激光网讯:正如块体固态激光器一样,从使用掺杂玻璃到使用掺杂单晶增益介质的转变,是提升单台光纤激光器输出功率的重要一步。出于这个原因,单晶光纤(SCF)正处于紧锣密鼓的发展状态。目前市场上已经存在各种构造,包括使用无粘合剂粘合形成的晶体包层晶体光纤(难以制造,因此不适合大规模生产)、玻璃包层晶体光纤(由于玻璃包层的热绝缘性能,因此不适合功率提升)和无包层SCF(非常适合于研究应用,但若要适合更广泛的应用,还需要合适的包层沉积技术)。

先前测试的无包层 SCF 配置,包括具有 1mm 或更小直径的短(长度30~60mm)泛光照明晶体棒,其中泵浦光由于全内反射而被约束在棒内,但输出激光本身的模式结构仅由腔镜所确定。换句话说,SCF 没有起到激光波导的作用,相比光纤激光器更像块体激光器。

相比之下,最近由美国陆军研究实验室(ARL)和美国Shasta Crystals 公司的研究人员,联合开发和测试的更长且更薄的二极管泵浦无包层掺镱 YAG(Yb :YAG)晶体激光器,已经展示了纯波导激光器运行模式(见图1)。该SCF由Shasta Crystals公司制造,直径为100μm,长度为 100mm,掺杂浓度为 1%,使用激光加热基座生长(LHPG)技术,具有适用于大规模生产 SCF 的潜力(尽管将需要开发可大规模生产的晶体包层沉积方法)。该光纤使得 SCF的实验和优化成为可能。

高转换效率

在实验装置中,SCF 的非减反涂覆部分夹在两片激光腔镜之间,来自线偏振激光二极管的发射波长为969nm、带宽为 3nm 的激光,聚焦在光纤的一端上,通过后(二向色)腔镜进入光纤。光纤松弛地放置在 V 形槽中,以使其具有最小的物理接触,而凸透镜准直激光器的输出。一片会聚透镜、激光线滤光片以及激光功率计,用于收集有关激光输出的数据。由于考虑到对光波导会产生不利影响,所以没有使用导热脂从光纤吸热,二极管泵浦以 1% 占空比的准连续波(QCW)模式工作,以保持光纤冷却。1ms 的泵浦脉冲长度与 YAG中 Yb3+ 的上激光能级寿命在同一量级上,因此实验结果代表了CW运行,只是在降低的热负荷下。

研究人员尝试了从18%~70%的各种输出镜反射率,发现最佳反射率为25%。使用91.6W的QCW泵浦输入(由于1% 的占空比,平均值略低于1W),QCW激光输出功率在1030nm 波长处约为 53W,这表明光纤激光器即使在未经优化的实验配置中也有效。

对于SCF参数本身,Shasta Crystals 公司总裁兼首席执行官Giselle Maxwell 解释说,1%的掺杂水平是通过光谱研究确定的,以帮助决定什么浓度将提供最佳的激光发射条件 ;通过相同的光谱研究来确定晶体的长度,以确定对于一定浓度的掺杂离子,晶体应该是多长、以实现泵浦光束的最大吸收,以及晶体中最有效的激光作用 ;并且晶体直径根据用户的便利性和期望什么效果来确定(更小的直径获得更好的光波导)。

“我们的下一步工作将是改进包层技术(主要是包层的厚度),以提供真正的全晶体双包层单晶光纤,因为改善的导热属性,其性能将胜过任何双包层玻璃光纤。”Maxwell指出。(文/John Wallace)

责任编辑:TD
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