连续双包层掺镱光纤放大器1背景

激光技术已被广泛应用于科技、经济、军事和和社会发展的许多领域。在诸多领域的应用中高功率、高稳定性以及高光束质量一直是人们追求的目标。激光放大技术在提供高能量激光输出的同时，还能保证优良的光束质量，因此激光放大技术成为国内外研究的热点。实现激光放大技术的器件称之为光放大器。光放大器首先在光通信系统中充分显示了直接对光进行放大的优势；在其他应用方面：诸如工业加工、光纤传感、科研军事等等，同样也始终起着举足轻重的作用。

在光放大器高速发展进程中，光纤放大器以其损耗小、效率高、结构灵活、散热性能好等优点而备受青睐。它是采用掺杂光纤作为放大器增益介质的一种特殊的激光系统，纤芯一般掺杂特定的稀土离子，泵浦光被限制在光纤内传播，对掺杂稀土离子进行泵浦，稀土离子受激跃迁，实现粒子数反转从而获得光增益。换而言之，就是被激发的稀土离子放大入射信号，从而将泵浦光的功率转换为跟信号光同频同相的光输出信号。

但是普通的单包层光纤放大器的泵浦光与激射激光同处于掺杂纤芯内，由于单模光纤纤芯的尺寸一般在 5～9μm，高功率泵浦光很难被耦合进去，常规单模单包层光纤放大器的输出功率被限制在几十毫瓦量级。因此，在很长一段时间，光纤放大器只能被作为弱光光源来使用。直到 20 世纪 80 年代后期，美国麻省 提出了包层泵浦技术，为高功率泵浦提供了新的思路。双包层光纤独特的包层结构可以使高功率的多模激光耦合进光纤，对纤芯进行泵浦，从而可以得到高功率的激光输出，成为光纤器件领域的研究热点之一。甚至最近出现的光子晶体光纤激光/放大器也采用了包层泵浦技术。

高功率脉冲激光在应用中独具特色。因此几乎在同一阶段，高峰值功率/平均功率的脉冲激光放大已成为人们研究的热点。并且将包层泵浦放大技术广泛应用于脉冲激光放大器中。

光放大器可以想象成为一个具有低反馈机制的激光器。它同样也需要增益介质和外功率源（泵浦源）来提供放大所需的能量。与激光器所不同的是，光放大器还需要信号源。我们可以用一个简单的结构图来表示光放大器的基本形式。

按照不同的分类方法，光放大器可以进行如下分类：

一、 按照增益介质的不同，可以分成半导体光放大器和掺稀土光纤放大器。

半导体光放大器是现代光放大器中最早出现的光放大器。它的工作原理是基于激光半导体介质固有的受激辐射光放大机制。其优点是尺寸小、造价低、频带宽、增益高；但缺点是与光纤耦合时损耗太大、易受环境温度的影响、工作稳定性差。由于半导体光放大器在实现光与电集成方面具有优势，因此它更多的是被应用于高速通信网中光开关、光复用/解复用和波长变换器等光信号处理模块。

在各种掺稀土光纤放大器中，掺铒光纤放大器（EDFA）优先得到发展。EDFA 工作在通信波段，输出仅为 mW 量级的功率，不能满足人们对高功率激光的需求。在稀土元素中，由于 Yb

3 离子具有简单的能级结构（只包含两个多重态展开的能级2F5/2和2F7/2）和大的能级间隔（约 10000cm-1）使掺 Yb3 光纤激光器及放大器具有很高的转换效率。因此，为获得高功率的激光输出，掺 Yb3 光纤就成为了激光放大器的首选增益介质。

二、按照时间特性可以分为连续光放大器、脉冲放大器及超短脉冲放大器。

这种按时间特性分类是相对于激光工作物质中因各种物理因素引起的驰豫过程及时间而言的。一方面，由于激光工作物质的辐射跃迁使得粒子在能级上具有有限的寿命，因此导致了反转粒子数的增长与衰减需要一定的驰豫时间，它被称之为纵向驰豫时间，表示为 T1。另一方面，由于工作物质粒子间或粒子与管壁间的碰撞以及晶格振动的作用，对电磁场引起的宏观感应电极化具有消相过程，在消相过程和外加电磁场共同作用下，工作物质中部分原子的电偶极矩逐渐有序化，因而产生宏观感应电极化强度。但是当电磁场停止作用后，由于消相作用，宏观感应电极化逐渐消失，相对于电磁场有一个滞后时间，称之为横向驰豫时间，表示为 T2。 当放大器的输入信号是连续波或非调 Q 激光脉冲时，一般满足条件光脉冲脉宽τ0>T1。此时由于光信号与工作物质相互作用时间足够长，因受激辐射而消耗的反转粒子数来得及由泵浦抽运所补充，因此反转粒子数及腔内光子数密度可以到达稳态数值而不随时间变化，可以用稳态方法研究放大过程。这类放大器称为连续放大器。

当输入信号脉宽满足条件T2<<τ0 T2的条件，因此可以不考虑粒子与光波场相互作用的横向驰豫时间 T2，在这种情况下，我们才能忽略粒子和光场相互作用的相位关系，速率方程才能适用。当输入信号的脉宽τ0为 10~10s 的超短脉冲时，τ0和 T2可以比拟，称为超短脉冲激光放大器，速率方程理论不再适用，而需用半经典理论处理。

如果输入光信号为高重复率脉冲序列，并且脉冲周期 T<

工作在 1550nm 窗口的掺铒光纤放大器（EDFA）在光通信系统中已得到广泛应用，但是利用普通单模掺铒光纤研制的 EDFA，输出功率通常在数十 mW 量级。在高功率激光应用领域，无法满足人们的需求。而掺镱光纤放大器（YDFA）能提供 100nm 量级的增益带宽（970nm~1200nm）和更高的转换效率，所以 YDFA 在红外波段高功率输出中独占优势。同时这种宽带增益特性能够被利用于超短脉冲放大；又因 Yb3 粒子的强饱和效应，就能够实现更高的脉冲能量输出。单脉冲能量达数 mJ 的 YDFA 已有报道。 基于 YDFA 有较宽的吸收谱(800~1064nm)，可以有多种抽运源，并且在970nm~1200nm 范围内有连续荧光发射，对在 1000nm 左右波段的信号具有优越的放大效果，本文重点进行了 1064nm 波段脉冲放大的实验研究。

连续双包层掺镱光纤放大器3连续双包层掺镱光纤放大器

双包层掺镱光纤的结构为了克服单模单包层掺镱光纤对输出功率的限制， Maurer 在 1974 年首先提出了双包层光纤的概念。直到 1988 年 Polariod 提出了包层泵浦技术，高功率掺镱光纤激光器/放大器才得以快速发展。

包层泵浦技术的核心是如何最大限度的提高包层中传输的泵浦光对纤芯中镱离子的泵浦效率。双包层掺镱光纤的结构、内包层的形状、泵浦光耦合方式等是这项技术的关键所在。，光纤由纤芯、内包层、外包层和保护层组成。纤芯中掺杂稀土元素（镱或其他元素）作为激光介质，为保证输出激光是基横模，纤芯的尺寸根据激射波长设计。内包层的折射率低于纤芯的折射率，激射激光被限制在纤芯内传播，而外包层的的折射率又低于内包层的折射率，这样可以将泵浦光限制在内包层内传播。为了使内包层既起到单模纤芯的低折射率包层的作用，同时又成为传输大功率多模泵浦光的通道，关键在于选择一种低折射率而且物理特性合适的材料做外包层。通常双包层光纤要求内包层具有大的数值孔径（NA）和大的几何尺寸，这对于多模泵浦光的耦合将十分有利。因此，对外包层材料的要求首先是折射率应低于内包层，另外还要有低弹性模量、宽的抗弯曲温度范围。

光纤的最外层为保护层，一般选用涂料的折射率高于外包层的折射率，这样可以将外包层内的传输光尽快泄漏掉，以免对光纤造成热损耗。保护层具有较高的杨氏模量，可以对光纤起到机械保护作用。

在设计双包层光纤时，为方便多模的高功率泵光耦合入纤，内包层与纤芯的面积比越高越有利，但是这个比值太高会降低器件的效率，一般内包层与纤芯的横截面积比选在 100 左右最佳。泵浦光在内包层传导时，多次穿越纤芯，激发掺杂的稀土离子发射激光。

内包层的形状对于双包层光纤对泵浦光的吸收效率具有非常大的影响。最初的双包层光纤内包层为圆对称的，它的制作工艺相对简单，也易于与泵浦 LD 的尾纤相耦合连接，但是圆对称特性会使内包层中大量的泵浦光成为螺旋光，在传输的过程中不经过掺杂纤芯，从而大大降低了对泵浦光的利用效率。为了提高对泵光的利用效率，并考虑到与具体的泵源形式相匹配，人们开发出了多种内包层截面形状的双包层光纤，用于双包层光纤激光器的研制工作。这些经过特殊设计的内包层使双包层光纤激光器对泵浦光的利用效率得到明显提高。

连续双包层掺镱光纤放大器4连续双包层掺镱光纤放大器的最新进展

尽管光纤激光器/放大器具有良好的散热性能，但随着激光输出功率不断提高，在纤芯内集中激射和较长距离传输，又会引起诸多的非线性效应。如：SPM（自相位调制）、SBS（受激布里渊散射）及 SRS（受激拉曼散射）等。尤其在单根光纤的激光器里激光振荡引起的非线性效应阈值较低，极大地限制了激光输出功率。因此人们又把目光投向了双包层光纤放大器。对双包层光纤放大器研究的目的是想通过对一个较低功率的单频或线偏输出的种子光进行多路双包层放大；多路放大后的光束经相干组束（CBC）或光谱组束（SBC），从而确保较高激光功率输出的同时，还能得到具有衍射极限的光束质量。

1999 年采用“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。

2005 年利用与 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 11 m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。 输出功率的提高使人们不得不考虑对非线性效应的抑制。2007 年美国报道了一种特殊的双包层掺镱光纤，在该双包层掺镱光纤的纤芯中同时掺入 Al2O3和 GeO2，以增大双包层掺镱光纤中的 SBS 阈值，从而提高放大输出的激光功率。这种通过对双包层光纤的优化设计来提高非线性效应阈值的方法，开创了高功率、高光束质量的激光器件研究的新局面。紧接着利用这种高 SBS 阈值的 DCYDF 进行高功率、窄线宽双向泵浦放大，。

2007 年，美国与德国 分别利用了槽密度为 1740/mm 的非传导性光栅和槽密度为 1250/mm 的衍射光栅实现了三个掺镱光纤放大器的光谱组束。组合效率分别达到了 93%和 95%。输出功率分别为 522W 和 153W。表征光束质量的 M2因子都为 1.2。保持了单个放大器的光束特性。他们的实验中略有不同的是后者在单个放大器里增益光纤采用了保偏光子晶体双包层光纤。正是这种高偏振度确保了组合效率高达 95%。利用光谱组束实现高功率激光输出为 YDFA 开拓了广阔的应用前景，特别是随着高非线性 YDF 及其它特殊结构 YDF 的研制成功，相信会有更惊人的成果在不久的将来实现。