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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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  设计更大输出波长的光纤激光器比较容易。弱导近似情况,低阶模的模场面积由λ2标定,这对增大光纤激光器功率有重要的促进作用。激光强度引发的非线性效应会带来损耗,长波长时布里渊散射和拉曼散射会降低,光学损伤阈值增大。随着较小相对折射率差的光纤和多孔光纤的应用,模场尺寸增大,激光波长变长。

  扩展激光波段范围超过硅酸盐固有的最低损耗波段1.5μm仍旧是个具有重要意义的挑战。硅酸盐玻璃有低背景吸收,低热导率、低玻璃转换温度,当超过最低损耗时,这种玻璃结构负向的影响激光输出。在光纤中的红外波传输会受声子态密度的限制,那么最大发射波长总是比最大传输波长要短。

  各种稀土离子跃迁和基质材料的探测,促使光纤激光器连续波最大输出功率呈现指数增长,其发射波长关系如图2所示。功率下降主要原因是,在长波长时量子缺陷在不断增加,因而产生大量的热量,被持续增长的泵浦能量所吸收。由于其较小的激发区纤芯体积将导致较小的温度梯度,光纤的温度主要由周围空气冷却程度来控制,这就需要光纤有更大的表面积或更大的泵浦纤芯直径。强制空气冷却为被动对流冷却有特殊的益处,而光纤的出色冷却特性不断减少量子缺陷。此外,发展更高效的长波长泵浦源,选择更适合的激光跃迁,也能有效的减少量子缺陷,提高光束输出质量。

  1. 稀土离子的激发跃迁

  光纤激光器的波长由光纤纤芯中掺杂稀土离子的荧光跃迁决定的。图3显示了其产生的红外辐射激光跃迁示意图。本文中有关红外区域的命名依据国际标准。表1中列出了经过验证的掺杂稀土离子光纤激光器红外跃迁输出的最大功率值。溶解状稀土离子需要替代硅酸盐玻璃絮凝层表面硅醇组(SiOH)中的氢离子H+,稀土离子一直保持三价氧化态的状态。与离子相关的电子跃迁是产生红外光纤激光器基础。光纤中掺杂金属离子跃迁几率更大(相比稀土离子),辐射荧光波长较长,能级寿命更短。声子增宽和所有的稀土离子都是各项同性的,但是稀土离子能级受附近玻璃原子周围电场的扰动,产生能级跃迁后,变成非各向同性并且不依赖温度变化。在共价键链接的玻璃结构中,掺杂稀土离子形成了网格间区域,在与网格区域共价键相连的非桥接氧原子和稀土离子之间形成离子键。巨大的阳离子场强度需要更高的配位数,稀土离子更容易团簇在网格区域间共用非桥接氧原子。随着网格结构间共价键数目的增多,电子云重排效应会引起稀土离子的吸收峰和发射峰红向移动到更长的波长。

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