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纳秒量级脉冲光纤激光器研究进展分析

2012-12-29 00:36
月城清浅
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  由表1数据可以看出,正是不同掺杂离子、不同类型光纤的出现,促使了脉冲光纤激光器向高重复频率、高平均功率、高单脉冲能量和窄脉宽方向发展。从早期的掺Nd3+到后来的掺Yb3+,调Q 脉冲光纤激光器在峰值功率和单脉冲能量上已分别能实现千瓦量级和毫焦量级的突破。2001年的数据显示,脉冲能量虽能高达7.7mJ,但重复频率较低,仅为500Hz。为解决模场面积和单模输出之间的矛盾,不同类型光子晶体光纤相继出现,2007年耶拿大学利用70μm纤芯PCF实现了100kHz的高重复频率下100W 的高平均功率输出,其2mJ的单脉冲能量和7.3ns的脉宽使得峰值功率高达275kW。

  之后的发展为寻求新波段,逐渐涉及掺Tm3+ 以及Tm3+:Ho3+ 共掺等研究热点。2011年日本京都大学研究人员首次在近3μm波段实现平均功率突破10W 量级。短波方向,丹麦工业大学利用二次谐波产生三次谐波,将波长拓展至515nm和343nm,且单脉冲能量仍可达毫焦量级。另外,2010年中国科学院上海光学精密机械研究所掺Tm3+ 双包层光纤实现2.02μm波长处100W 平均功率的输出,光束质量接近衍射极限。2011年美国的IPG公司调Q 掺镱脉冲光纤激光器最大输出200W 的高平均功率,能量可达10mJ。

  表1中各数据可以看出调Q 脉冲光纤激光器平均功率还只是在100W 附近,10mJ的单脉冲能量已是瓶颈,且光束质量并未见较为优良的报道,所以为提高这几个重要参数,研究人员早在20世纪20年代开始,逐渐地将研究的重点放在了MOPA结构上。表2为MOPA结构纳秒量级脉冲光纤激光器的研究进展,与表1同年作对比来看,采用MOPA明显比单纯调Q 更有利于能量的提高。

  单脉冲能量方面,MOPA结构在2002年首次在数10kHz高重复频率下实现4mJ能量、100W 平均功率单模输出的突破,其多模输出可达8mJ。另外,2005年密歇根大学的一项研究成果至今仍保持着最高单脉冲能量记录。其研究人员利用电脉冲调制的半导体激光器作为种子源,经过纤芯分别为50μm 和200μm的大模场增益光纤的两级放大,得到了100Hz下单脉冲能量高达82mJ的脉冲输出,这无疑是一大突破。

  峰值功率方面,2005年密歇根大学将脉宽压缩至4ns,其峰值功率高达2.4MW,能量也接近10mJ,但其光束质量因子M2 较大为6.5。可见,获取高峰值功率的同时还不能保证高的单脉冲能量和高的光束质量。这一矛盾在2006年美国Aculight公司的研究报道中得以解决,其研究人员以Nd:LSB被动调Q 激光器作为种子源,采用100μm 纤芯的光子晶体光纤放大得到单脉冲能量大于4.3mJ、峰值功率高达4.5MW的脉冲输出,且M2≈1.3。相对于之前的研究成果,这一项报道也是具有突破意义的。

  平均功率方面,2006年中国科学院上海光学精密机械研究所楼祺洪等研究人员实现的100kHz下133.8W 的报道,至今仍是国内的最高水平。2007年IPG公司报道了50kHz高重复频率下500W 的高平均功率脉冲输出,其单脉冲能量达到10mJ,这仍旧是至今为止已见报道的最高水平。可见国内与国外差距还很大。

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