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高功率中红外波段光纤激光器最新进展及未来趋势

2013-05-23 10:06
科技潮人
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  ——光纤激光器具有效率高、功率大和多种波导共振的特点。随着光纤制作工业的发展,由超低损耗硅酸盐玻璃构成的新型光纤有着较低的散射损耗,杂质损耗和材料缺陷,这种光纤激光器能够产生更好的光束特性和能量。在光纤激光器中,相比于包层泵浦,采用多模半导体二极管激光器作为泵浦源更直接更有效的激发单模光纤纤芯,以达到产生近衍射极限的输出和至少三个数量级亮度增强的目的。尽管使用掺稀土阳离子的光纤会引入附加的瑞利散射,但是由于光纤泵浦能更大程度增强增益,其影响微乎其微。在光纤的泵浦纤芯和激发纤芯层之间传播光束模态尺寸较小,在高效率的前提下保证了激光器的低阈值(图1所示)和高增益。

  红外激光器所需要非连续可协调激光光源量子级联激光器可以产生极好的中红外激光。但是连续波工作模式下的量子级联激光器,70%输入电功率转化成为热噪声。激光器中泵浦介质作用面积大约100μm2,用它做泵浦源不易产生高功率单模中红外激光。硫系陶瓷激光器产生输出功率为15W的单个连续纵模激光,但热透镜效和多声子散射限制发射功率无法克服。直接能带隙Ⅲ-Ⅴ型半导体二极管激光器室波段范围在1.9~2.7μm,但俄歇复合在波段大于1.8μm的波长时将显著降低激光器效率。可协调、数瓦级输出功率的光学参量震荡结构稳定紧凑,但是参量需要窄线宽和线偏振态,显著限制泵浦。然而,光纤激光器可以完全满足连续性的选择,并且相比参量震荡,也具有众多非常重要的优势。

  掺Yb3+离子硅玻璃光纤激光器,在波长为1μm时的输出功率和效率值最大。输出50kW的商用激光器大量在切割、焊接以及汽车制造业取得巨大成功原因如下:首先,尽管量子缺陷(即泵浦光和激光光子能量的间隙)降到10%,但是量子效率却接近100%。其次,使用硅玻璃制作光纤,提供很高的稳定性。第三,双层能级结构减缓Yb3+离子间的能量传递,降低掺Yb3+离子浓度的限制。但是,把光纤激光器发射波段朝中红外拓展甚至是扩展到中红外,对商业和实验应用非常有必要。

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