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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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  波长拓宽方面,2004年南安普顿大学的突破主要是采用Er:Yb共掺的大模场光纤放大级获得了可用于相干雷达的波长在1500nm的激光输出,为全光纤结构,单脉冲能量达0.29mJ,2009年中国科学院西安光学精密机械研究所也实现了1548nm下7.5kW 峰值功率输出。2010年亚利桑那大学采用Er:Yb共掺的大模场面积双包层光纤也实现了C波段的1530nm输出。另外,2010年国外首次实现了977nm处突破毫焦量级的脉冲输出,在190kHz高重复频率下平均功率可达78W。利用非线性倍频效应,清华大学采用掺镱光子晶体光纤和两级Nd:YVO4固体介质进行放大实现了532nm的绿光输出。

  4 纳秒脉冲光纤激光器中待解决的问题及展望

  4.1 光纤非线性效应的影响及抑制方法

  随着功率尤其是脉冲激光器中峰值功率的提高,光纤中光的功率密度很高,与光纤的相互作用随着光纤长度的增加而变得明显,当光纤内峰值功率超过非线性效应的阈值,就会产生受激布里渊散射(SBS)或者受激拉曼散射(SRS)等非线性现象,从而限制了光纤激光器输出功率的提高,对脉冲光束质量也有较大的影响。所以,如何有效地抑制SBS或者SRS,仍然是目前高功率光纤激光技术研究的重点和难点。

  当光纤内峰值功率超过SBS或者SRS的阈值,会产生频率下移的斯托克斯光,导致了输出激光功率的下降。故此,需要清楚SRS和SBS阈值的大小,其产生机制在连续抽运和脉冲抽运下是不同的,由于本文讨论的脉冲宽度只在纳秒量级,这里只讨论入射到光纤中的抽运光是连续光或者准连续光的情形。可以从抽运光和斯托克斯光的耦合方程得到SRS和SBS的阈值抽运功率分别为

  式中gR、gB分别为受激拉曼增益系数峰值和受激布里渊增益系数峰值,Aeff为纤芯有效模场面积,Leff为光纤有效长度,ΔυB为布里渊增益谱宽,Δυp为信号光谱宽。这些参量关系到SBS和SRS阈值的大小,有几个较为直接的方法可用于抑制SRS或者SBS。

  1)从阈值可以初步看出,增大纤芯有效模场面积,减小光纤有效长度,阈值就变大,可用于抑制SBS和SRS的产生。国外采用MOPA结构实现的100W 量级平均功率、10mJ单脉冲能量输出中,几乎是采用大模场面积双包层光纤和光子晶体光纤。

  2)通过增加信号光的谱宽也是提高SBS阈值一个有效方法。从阈值表达(2)式可知,让Δυp尽可能地大于ΔυB,使得功率只有一部分处在SBS增益带宽内,这样分去的功率就变得少些,有利于所要激光的功率输出。

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