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光纤激光器关键技术及趋势分析

导读: 光纤激光器的历史和激光器本身的历史几乎一样长。但是由于增益光纤和泵浦光源等技术上的限制,商用光纤激光器直到20世纪末才出现。

  光纤激光器的历史和激光器本身的历史几乎一样长。但是由于增益光纤和泵浦光源等技术上的限制,商用光纤激光器直到20世纪末才出现。20世纪70年代以来,随着光纤制备技术以及谐振腔结构的改进,光纤激光器有了很大的发展,特别是80年代中期英国南安普顿掺Er 3+光纤的突破,光纤激光器的实用化成为可能,并显示出十分诱人的应用前景,受到人们的广泛重视。90年代开始出现了双包层掺杂光纤激光器的研究。20世纪末宝利来公司的研究人员采用包层泵浦技术,在实验室获得了100 W的激光输出,使得光纤激光器的实用化进入实际阶段。2001年,SDL公司推出了第l 台商用的拉曼光纤激光器,采用Yb包层泵浦激光器泵浦光栅式级联拉曼激光器的结构,根据这种结构可方便地设计出适合输出1.30μm、1.45μm的谐振腔结构。IPG光子公司采用类似的结构实现了l200~l600 nm波段可选择任意波长的激光输出,输出功率达到了lO W。DIANOVE.M.等人用掺有P205的光纤实现l240 nm、l480 nm处的激光输出。2003年6月,美国IPG公司在德国激光展演示了一台1.1μm,连续输出10 kW的光纤激光器引起了业内的震撼!

  日前光纤激光器研究与开发主要集中在大功率双包层光纤激光器技术上。用双包层光纤实现大功率激光输出技术最初于1988年提出。高功率双包层光纤激光器呈现出以下发展趋势:(1)单根光纤输出功率从百瓦级向千瓦级发展,目前单根光纤激光仅在实验室实现了千瓦级功率输出,并且不是单横模;( 2)从高功率连续光纤激光向高功率脉冲光纤激光器发展,从应用目标出发时,连续工作的光纤激光能提供的靶面功率密度较低,脉冲工作的光纤激光将会更为有用;(3)从常规的光纤激光组束技术向相干组束技术发展。

  1双包层光纤

  双包层光纤( DCF) 是高功率光纤激光器的关键部件,其结构如图l 所示。双包层光纤的基本结构包括直径为l O~100μm的掺杂纤芯,以及直径125~l000μm、数值孔径约为0.45的内包层。设计双包层光纤取决于要求的功率和光束质量。多模泵浦光被耦合进内包层,在其内传输2~8 m,并不断被掺杂纤芯吸收。双包层光纤可以通过两端同时泵浦来提高可用泵浦功率。激光谐振腔由外部光学系统或用紫外激光在光纤芯层写入光纤布拉格光栅(FBG)构成。纤芯可以掺杂多种不同稀士元素,对应不同的激射波长。镱元素是可选掺杂物,因为它有宽吸收带和最高光能量转换效率为80%。

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