掺镱双包层光纤放大器

随着大模场面积掺杂双包层光纤和大功率半导体激光器(LD)的技术成熟，脉冲光纤放大器的研究也获得了飞速发展，脉冲峰值功率越来越高。脉冲光纤放大器由于具有高光束质量、便于热管理、光纤输出、结构紧凑等优势，正广泛运用于军事，精密加工、医疗、太空通信等多个领域。窄脉宽、高功率、高光束质量的的脉冲光纤放大器已成为研究的重点。

04 年，英国的 Southampton 大学的 A.malinowski 等人报道了一种全光纤放大系统，以掺镱光纤激光器为种子源，用两级掺镱双包层光纤放大器进行放大，最后用光栅对压缩，在 62MHz 时获得了 110fs，400nJ 的脉冲。 2005 年，美国的 F.D.Teodoro 和 C.D.Brooks 以调 Q 的 Nd:LSB 微片激光器为种子源，通过双包层掺镱光纤和光子晶体光纤放大，图 1.3 为实验结构图，在10kHz 时，获得了 1ns，1mJ 的脉冲。

2006 年 6 月，英国南安普顿大学的 J.Kim 等人利用 W 型纤芯结构的双包层光纤进行放大，实现了 53W，103ps 的脉冲输出。

2007 年 A. Galvanauskas 又将 1~10ns 脉宽的种子脉冲信号经双级单模前置放大后，级联两级 LMA 掺镱光纤放大器，获得了 M约为 1.3，峰值功率超过 5MW的脉冲输出。

国内一些单位也开展了脉冲放大光纤放大器的研究。主要的研究单位有中科院上海光机所、清华大学、中国电子科技集团第十一所和中科院西安光机所等。 2004 年，上海光机所的孔令峰等人用调 Q 激光器做种子源，用双包层掺镱光纤作为增益介质，在 20kHz 时放大到了 0.3mJ 的脉冲能量。 2005 年，清华大学的叶昌庚等人报道了一种脉冲泵浦的掺镱光纤放大系统。以调 Q 的 Nd:YAG 微片激光器为种子源，以掺镱双包层光纤为增益介质，在 200Hz时，最大得到了 138.2μJ 的单脉冲能量，其脉冲宽度为 0.83ns。

综上所述，国内外脉冲高功率光纤放大器的实验研究主要采用的还是分立元器件设计，不利于提高激光器的稳定性。本文中将采用 MOPA 结构设计全光纤脉冲放大结构，实现了平均功率 2W、重复频率 50KHz、脉冲宽度为 20ns 的窄脉冲激光输出。

激光的产生是一个放大的过程。在这个过程中受激发射所占的比例远大于自发辐射。当增益存在的条件下,受激发射所产生的光子继续诱发受激发射,使受激发射光不断增强。当然最初诱发受激发射的光子源于自发发射。对于激光波长,流出光纤激光介质的光子流要大于进入这段光纤的光子流,即实现了光放大。

为了能产生激光,必须满足一定的条件。第一个条件是粒子数反转。仅当处于激光上能级的粒子数超过处于激光下能级的粒子数时才能使介质发生受激发射,从而产生增益。粒子数反转的要求同时也引出了第二个条件,即粒子数反转形成的过程要借助于光子能量较高的光源进行抽运,而且要求参与激光工作的能级超过两个。首先必须通过抽运将电子激发到高于激光工作上能级的某个能级上,也就是说,抽运光的频率要大于激光频率。开发研制的光纤激光器主要采用掺杂稀土元素的光纤作为增益介质,当采用合适的抽运源进行抽运时,由于光纤激光器中光纤纤芯很细,在抽运光的作用下光纤内极易形成高功率密度,造成激光工作物质的"粒子数反转"。

光纤激光器的腔形可以有多种选择。一种最常见的激光谐振腔-法布里一拍罗腔,它是将增益介质置于两片反射镱之间构成的。在光纤激光器中,腔镱经常对接祸合到光纤端面,以避免衍射损耗。该腔损耗非常小,然而,这种腔的调整较为困难,光纤端面或腔镱稍微倾斜,就会使损耗急剧增加,允许的倾斜度小于1。这个问题可以通过将介质膜直接镀到掺杂光纤的研磨抛光端面上得到解决。由于介质膜对光纤端面的缺陷极为敏感,而且抽运光也经由同一腔镱入射,所以当抽运光经过聚焦且功率较高时就会损坏介质膜。

光纤激光器的关键技术:(1)高功率半导体光纤祸合输出模块:稳定,长寿命,小体积,无需复杂水冷系统的高功率半导体激光器光纤模块的实现;(2)光纤融合技术:将多根多模光纤同有源光纤融合在一起,而将抽运光几乎无损耗的传入有源光纤内包层中,这种光纤几何熔接技术使得光纤模块的输出能量在百瓦量级,同时消除了半导体激光阵列集成模块的散热问题;(3)光纤光栅技术:在光纤上制作反射型光纤光栅双包层光纤激光器。在高功率情况下具有长时间稳定性能的光纤光栅制作,对于实现简便紧凑的高功率双包层光纤激光器产品具有非常重要的意义。目前国内从事光栅技术的研究单位正在开展此类的研究工作,而国际上对于光栅制作技术也相对比较成熟。如工GP的光纤激光器中的光栅可以满足百瓦级的功率传输。掺镱双包层光纤激光器理论及实验研究

2.3Yb+3的光谱特性

稀土元素之一的Yb+3离子,长期以来最重要的应用只是作为敏化离子(也就是激光激活离子)与其他稀土元素离子共同掺杂,Yb+3离子吸收抽运光子的能量后,把能量传递给他受主离子,如E、H等,Yb+3离子并不直接发生能级跃迁产生激光,而仅仅作为一个能量传递工具。掺Yb+3光纤激光的特性和发展从八十年代中后期开始,Yb+3离子掺入石英或氟化物光纤中,作为一种激光介质开始受到人们的重视,并取得了很多进展。

yb+3离子在掺入石英等基质材料后,其能级发生变化,从而其吸收和发射光谱也要发生很大变化。通常由于基质材料中电场的非均匀分布的影响引起Yb+3能级的stkar分裂,消除了原来存在的能级简并,从而相应的吸收和发射光谱将出现精细结构。另外一个因素就是Yb+3能级加宽。第一种是声子加宽,当两个能级之间发生跃迁时将发生某种形式的能量交换,包括声子的产生和湮灭。第二种加宽机制来源于基质电场对能级的微扰,掺Yb+3材料只包含有两个多重态,基态2F7几(含有4个Stark能级)和一个分离的激发多重态"FS/:(含有3个Stark能级,在基态以上10000c/m的位置),因此抽运光波长处和信号波长处都不存在激发态吸收(由此因起抽运效率降低);大的能级间隔(2F5/:和2F72/)也阻碍了多光子非辐射弛豫及浓度淬灭现象的发生。上面几种因素引起的抽运转换效率的降低也会引起激光介质热效应增加的问题(Yb+3:AYG的热效应比Nb3+:YAG小三倍)。掺Yb+3石英光纤的吸收和发射谱带很宽。

20 世纪 80 年代中期，光通信迅猛发展、光纤制造工艺以及半导体激光器生产技术日益成熟。特别是在 S.B.Poole 等人用改进的化学汽相沉积法制成了低损耗的掺铒光纤后，掺杂光纤放大器和激光进入了一个快速发展的阶段。与其他掺杂光纤相比，掺镱光纤能级结构简单，不存在对泵浦光或信号光的激发态吸收，转换效率高，不存在浓度淬灭;且有较宽的吸收光谱和辐射光谱。因此掺镱光纤放大器/激光器具有独特的优势。但当时采用的掺杂稀土光纤是由纤芯和单一包层构成，要求泵浦光必须直接耦合进直径仅仅为几微米的单模纤芯中，所以对泵浦源的激光模式要求很高，且耦合效率很低。所以传统的掺稀土元素的光纤激光器与放大器被认为只能是一种低功率的光子器件。

80 年代末，美国宝丽来提出了以双包层光纤为基础的包层泵浦技术，改变了光纤放大器只能作为一种小功率光子器件的历史，为瓦级甚至更高功率的光纤放大器的实现提供了坚实的基础。双包层光纤的研制成功以及包层泵浦技术的运用打破了光纤激光器/放大器输出功率低的"瓶颈"，成为制作高功率光纤激光器与放大器的首选。

1999 年 Lew Goldberg 等人采用"V"形槽耦合泵浦技术在 1060nm 处将100mW 的种子光放大到 4W 输出;放大系统小信号增益为 53dB。2003 年Dennis Hammons 等人利用 NGST(Northrop Grumman Space Technology)技术获得了单模以及近线偏的 150W 激光输出。德国 Jena 大学 A. Liem 等人，以纤芯直径 23μm 的大模场面积双包层掺镱光纤为增益光纤，利用注入种子光的功率放大结构，实现了波长 1064nm、线宽 1kHz、功率 118W 的激光输出，相对注入抽运光功率的斜率效率达 70%。2005 年 Adrian Carter 等人利用与 20/400 双包层大模面积(LMA)掺镱光纤相匹配的(6+1)*1 合束器实现了 200W 单频放大输出的全光纤化。2006 年南开大学郭占城等人利用 Nufern 生产的长度约为11m 的大模面积(LMA)掺镱双包层光纤(其芯径 20μm ,数值孔径为 0.06)，将 16mW 的种子光放大到 1.61W，放大后的 3dB 线宽为 0.027nm，保持了输入信号光的优良光谱特性。实验中为了消除端面的菲涅尔反射，LMA 光纤的两端磨制了约 13°的倾角。

2006 年 Albert seifert 报道了一种波长为 1014.8nm 的窄线宽，毫瓦级的双包层掺镱光纤放大器。种子源经过一个隔离器和二向色镱后，有65mw的功率被耦合到6.2米的掺镱双包层光纤。D 型内包层的数值孔径随温度变化，室温下为 0.35，液氮中为 0.22。光纤端面抛8 度角，第一级放大器输出经过一个窄的带通滤波器以减小 ASE，然后耦合到第二级的冷却的镱纤。第一级的最大输出功率为 2.8W,且信噪比达到 30dB。为达到更高的输出功率，将第一级功率为 1.7W 的输出作第二级放大，得到了 5W 的输出功率，且仍有很高的信噪比。

普通光纤激光器由于其结构紧凑、波长可调谐、散热性好和高的转换效率受到人们的青睐;包层泵浦技术又突破了普通光纤输出功率上的制约;Yb3+具有简单的能级结构、宽的吸收带和大的发射截面，便于泵浦和获得高的转化效率。因此掺镱双包层光纤激光器除具有普通光纤激光器的优点之外，又可在高功率条件下运作，成为发展高功率激光器的重要候选。现在报道的单个光纤激光器输出功率已超过 kW，完全可以和在高功率条件下使用的传统的固体激光器媲美。掺镱双包层光纤激光器作为固体激光器家族中的一员，具有以下优异的性能:

1) 高功率。一个多模泵浦二极管模块组可辐射出 100W 的光功率，多个多模泵浦二极管并行设置，可允许设计出很高功率输出的光纤激光器;

2) 模式质量好。通过设计大纤芯和小的数值孔径，光纤中只有几个模式;无需热电冷却器。这种大功率的宽面多模二极管可在很高的温度下工作，只须简单的风冷，成本低;

3) 很宽的泵浦波长范围。包层光纤纤芯中掺杂了镱元素，有一个很宽的光吸收区(900-1100nm)，所以泵浦二极管不需任何类型的波长稳定装置;

4) 效率高。泵浦光多次横穿过光纤纤芯，因此其利用率高;

5) 高可靠性。多模泵浦二极管比起单模泵浦二极管来其稳定性要高出很多。其几何上的宽面就使得激器的断面上的光功率密度很低且通过活性面的电流密度亦很低。这样一来，泵浦二极管其可靠运转寿命超过 100 万小时。

掺镱双包层光纤激光器用于激光束的相干合成

激光束相干合成技术作为实现高功率激光输出的重要途径，在过去的 20 多年里人们已经在这一领域里进行了大量的研究，相干阵列中所用的激光器多集中在固体、半导体和光纤激光器。这种技术是将许多中等功率输出的激光器组成的阵列实现同相输出，实现大功率的同时保持优良的光束质量。而掺镱双包层光纤激光器具有的如结构紧凑易于组束、模式质量好等优势使它成为实现激光束相干合成的不二之选。

光纤放大器的最初出现是为了适应光通讯的发展要求，而通讯系统中传输的光信号功率一般较低:微瓦(μW)到几十毫瓦(mW)量级。单级 EDFA 输出的最大功率约为 23dBm，可以满足传统的干线长距离光纤网络传输的应用。随着光纤网络进一步向局域网、接入网的发展，光纤距离最终用户的距离越来越近，很多情况下已经是光纤直接连接到用户。特别是随着近年来光纤到户(FTTH)、光纤到大楼(FTTB)、无源光网络(PON)、光纤有线电视传输系统的大规模铺设应用。在这些新兴系统中，用户数从几百到几千甚至上万个，功率预算非常高，这对光纤放大器的输出功率提出了更高的要求。EDFA 虽然成功应用在了长途干线传输系统中，但在上述新型网络形态下输出功率远远不能达到系统要求。采用多台 EDFA 级联可以提高输出功率，但必然增加系统成本、复杂性并降低系统可靠性，同时会附加更多的自发辐射(ASE)噪声，使得系统性能劣化。另外在越来越多的激光加工、激光打标、激光武器、空间激光通讯、非线性频率变换方面，需要几瓦到几百瓦高功率连续或峰值功率在千瓦(kW)到兆瓦(MW)的脉冲激光输出，迫切需要能够支持高功率放大信号输出的光纤放大器。

EDFA 的增益光纤采用的是纤芯掺入铒离子的普通单模光纤，纤芯直径在8~10μm 之间，包层直径一般为 125μm，泵浦光和信号光同时在纤芯中传输。要提高 EDFA 的输出功率，可以提高泵浦功率，但由于纤芯直径很小，数值孔径也较小(0.1~0.2)，导致能够有效耦合进入纤芯的泵浦功率仅为几百毫瓦左右;另一方面，可以通过提高铒离子的掺杂浓度来提高增益光纤的储能，但在铒离子浓度过高时会出现浓度淬灭现象，导致高功率运转时 EDFA 工作失效。以上两个原因限制了 EDFA 输出功率向高功率的提升。

随着新型光纤理论和制造技术的不断提升、对高功率放大器增益光纤的巨大需求、包层泵浦技术和离子共掺技术的出现、以及大功率多模半导体泵浦激光器的出现可以很好的解决上述问题。

双包层光纤，采用纤芯、内包层和外包层结构，主要是引入了直径较大的内包层，内包层数值孔径通常可以做的较高，允许大功率泵浦光直接耦合到直径为几十 μm 到几百 μm 的内包层，比传统光纤的耦合面积增加了 2 个数量级，因此入纤功率和耦合效率都大大得到提高。纤芯直径仍然保持单模光纤的水平以保持较好的光束质量，同时纤芯掺入激活离子。泵浦光耦合入内包层，在内包层与外包层的交接处发生全内反射，反复通过并激活纤芯离子，当信号光通过纤芯时即通过受激辐射得到增益放大。

在基于双包层光纤的大功率激光放大器研制方面，起步最早的是掺镱光纤放大器。因为镱离子为简单的双能级结构，不存在激发态吸收和能量上转换问题。

镱离子具有很宽的泵浦吸收带(800nm-1100nm)且在典型的泵浦波长 915nm 和975nm 处具有很强的吸收峰，对泵浦波长的带宽限制并不明显，可以采用成本较低的多模大功率泵浦激光器。在这些泵浦波段，商用化的半导体多模泵浦激光器的输出功率已经达到了千瓦量级。采用较短的光纤即可对泵浦光产生有效地吸收，导致掺镱高功率光纤放大器的斜率效率非常高，可以超过 80%。因此掺镱高功率光纤放大器备受青睐，在各方面努力下，各项指标也不断得到优化提高。连续光放大单纤平均功率超过了 1 万瓦，而脉冲放大峰值功率更是达到了兆瓦(MW)量级。在国家级应用层面，美国国家航空航天局(NASA)在其主持的星际光通信计划中也采用了掺镱双包层光纤作为放大介质，得到了峰值功率 1.6kW、平均功率 10W、脉冲重复频率在 3-30MHz，接近衍射极限的脉冲光束输出。

伴随着高功率光纤激光器的进步，一些新的应用领域不断出现。特别是兴起的光接入网、自由空间光通讯、激光雷达、地球引力波探测、地面搜索、激光测距等方面，需要 1.5μm 波段高功率连续或脉冲光纤放大器。掺镱高功率光纤放大器尽管在技术上比较成熟，但其工作在 1.06μm 波段，在需要 1.5μm 波段的这些应用中显得力不从心。人眼在 1.5μm 波段的损伤阈值要比 1.06m 波段高4 个数量级以上，具有"人眼安全"的特点，这在激光测距、激光雷达、遥感、空间通信等需要人员参与的领域有重要意义，所以人们越来越多的开始关注并发展高功率 1.5μm 波段光纤放大器。

单独掺杂铒的增益光纤由于受到浓度淬灭效应的影响，无法满足高功率运行要求。在双包层光纤包层泵浦理念的基础上出现了铒镱(Er/Yb)共掺双包层光纤。这种双包层增益光纤因为镱离子浓度大于铒离子浓度，使得一个铒离子被多个镱离子包围，避免了铒离子的簇聚，同时提高了铒离子的掺杂浓度。在这种掺杂光纤中是由镱离子先吸收泵浦光，然后通过敏化作用激发铒离子，形成铒波段粒子数反转，从而充分利用了镱离子吸收带很宽、泵浦吸收系数大、允许高功率多模泵浦的优点。Er/Yb共掺双包层光纤放大器的主要优势体现在以下几个方面:(1)工作在 1.5μm 波段 (2)高输出功率 (3)较高的能量转化效率 (4)高峰值功率，高重复频率的脉冲输出 (5)通过优化可以实现接近衍射极限的光束质量。 在激光定位、远程传感、成像和照明等领域需要高功率、脉宽在几十个 ns、重复频率为几十 kHz 的光脉冲，并且需要脉冲光纤放大器能够产生几百 kW 到几 MW 的峰值功率。 高峰值功率同样广泛应用于材料处理、激光打标和高次谐波的产生中。基于这些，尤其是光纤通信与卫星激光通信的巨大需求，Er/Yb 共掺双包层光纤放大器最近几年得到了比较广泛的研究也取得了很多进展，很多文献报道了 1.5μm 波段脉冲放大器和激光器。