包层泵浦光纤激光器及应用

!""# 年第 $ 期光通信技术 中国科技核心期刊 包层泵浦光纤激光器及应用 刘强 !!" 杨仕平 " 雷 菁 ! "! 国防科技大学四院 长沙 #!$$%&#" 中国人民解放军西安通信学院 西安 %!$!$’$ 摘要 详细阐述了包层泵浦光纤激光器的基本原理 及一些关键的泵浦耦合技术!最后介绍了基于这种技 术的高功率光纤激光器在光纤通信%印刷%医疗%军事 等领域的应用& 关键词 包层泵浦 双包层光纤 光纤激光器 高功率 中图分类号 %&!#’ 文献标识码 ! ! 引言 光纤激光器是在 ()*+ 技术基础上发展起来的 技术& 早在 ,-$,年!美国光学公司的 (./012345等就在 光纤激光器领域进行了开创性的工作!但由于相关条 件的限制!其实验进展相对缓慢& 而上世纪 6" 年代英 国 /78299:;<270 大学的 /.=.>77?4 等用 @AB) 法制成 了低损耗的掺铒光纤!从而为光纤激光器带来了新的 前景& 作为固体激光器中的一员!光纤激光器以其结构 简单紧凑%体积小%工作稳定可靠%无须调试%光束质 量好%易于集成等特点!一直被人们认为是固体激光 技术实用化的最佳选择& 与激光二极管泵浦的固体激 光器相比!由于光纤具有大的 表 关于同志近三年现实表现材料材料类招标技术评分表图表与交易pdf视力表打印pdf用图表说话 pdf 面面积与增益体积之 比!它的散热性和光束限制性很好!它的热负载和光 束畸变得到有效的抑制!因此!光纤激光器具有极好 的热稳定性%高增益%高转换效率以及紧凑坚固的特 点!另外!采用主振功放"@C>+’结构时具有内部调制 输出的潜在能力& 但目前普通的光纤激光器件主要采 用单模光纤!对泵浦源的激光模式要求高!导致泵浦 源价格昂贵!并且泵浦功率低%耦合效率低%输出功率 低& 近几年来!国际上发展了一种以双包层光纤为基 础的包层泵浦技术 D,E’F& 双包层光纤GH78I?4JK?:H L1I45M 是由纤芯%内包层和外包层组成!其折射率沿径向变 化为纤芯大于内包层!而内包层大于外包层!在内包 层中传播的泵浦光以折线方式反复穿越纤芯并被纤 芯掺杂介质吸收! 而产生的激光则沿单模纤芯传播! 较小的芯径可保证输出基横模的高质量光束!若采用 包层泵浦技术!泵浦光只需耦合进大面积及大的数值 孔径的内包层中! 所以不要求泵浦光是单模激光!这 样可选用大功率的多模激光二极管阵列作为泵浦源! 通过泵浦双包层光纤结构!可实现从高功率%大面积 多模激光二极管泵浦源到衍射极限光纤激光的高效 转换!大大增加了光纤激光器的输出功率& " 包层泵浦光纤激光器技术 对于传统的光纤激光器!采用的激活光纤是普通 单模掺杂光纤!这种光纤由一个包层和纤芯G芯径直径 约为几到十几微米M组成!在纤芯里面!掺有 (5’N%OI’N 或 &H’N等稀土元素及其它掺杂物&通常!它采用单纵模 单横模半导体激光器作为泵浦光源!对准单模掺杂光 纤的纤芯!泵浦纤芯中的稀土元素!使之发生受激辐 射!从而产生激光到放大& 由于它只能采用泵浦光注 入到纤芯的泵浦方式!因此!它的泵浦功率不高!输出 激光功率有限& 而双包层光纤是由纤芯P芯径直径约为几到十几 微米M%内包层G直径约为几十到几百微米M和外包层组 成& 其折射率沿径向变化为纤芯大于内包层!而内包 层大于外包层& 图 ,为双包层光纤及包层泵浦原理示 意图& 收稿日期(!""#Q",Q," 作者简介(刘 强 男!,-$R 年生!在读硕士!主要从事现代通信系统与光 通信器件方面的研究 图 ! 双包层光纤及工作原理 光 器 件 !"# !""#年第 $ 期 !!!光通信技术 由图 % 可知! 内包层的直径远远大于纤芯的直 径!内包层端面的截面积比纤芯端面的截面积大差不 多 !个数量级" 由多模激光器输出的泵浦光并不直接 射向纤芯端面!而是注入到纤芯与内包层中!在内包 层中传播的泵浦光以全反射方式反复穿越纤芯!被纤 芯中的稀土元素吸收!于是在纤芯中传播的光的比例 增加!其包层泵浦的原理如图 % 所示" 由于包层端面 的截面积远远大于纤芯端面的截面积!因此!与泵浦 光直接射入纤芯端面相比! 入射的泵浦光功率高!从 而使输出功率的提高得以实现" 采用这种泵浦方式! 内包层成为泵浦光的光波导!外包层作为其包层" 纤 芯成为振荡光的光波导!内包层就成为其包层!能反 映各层的作用" 产生的激光沿单模纤芯传播!较小的 芯径可保证输出基横模的高质量光束" 由于泵浦光是 耦合入大面积及大的数值孔径的内包层中!不要求泵 浦光是单模激光!同时!还可以对双包层光纤进行全 长度泵浦!这样可选用大功率的多模激光二极管阵列 作为泵浦源!通过泵浦双包层光纤!可实现从高功率# 大面积多模激光二极管泵浦源到单衍射极限光纤模 式的高效简易转换! 大大提高了耦合及转换效率!增 加输出激光功率" 对于包层泵浦光纤激光器而言!其关键技术就在 于如何把多模泵浦光有效耦合入双包层光纤的内包 层中!同时合理选择激光振荡的谐振腔!从而实现高 效率的光纤激光器" 其泵浦耦合与谐振腔的选择 方法 快递客服问题件处理详细方法山木方法pdf计算方法pdf华与华方法下载八字理论方法下载 具体如下$ %%&利用准直&聚焦透镜组’双色镜耦合系统!把 多模泵浦光耦合入双包层光纤中!如图 ! 所示!或利 用准直&聚焦透镜组把多模泵浦光直接耦合入刻有光 纤光栅的双包层光纤中!如图 (所示" 采用这样的耦合方式时!不能利用光纤熔接机把 增益光纤与泵浦激光器的尾纤熔接起来!否则会使耦 合效率大大降低! 而且在实用化上也会存在很大问 题 快递公司问题件快递公司问题件货款处理关于圆的周长面积重点题型关于解方程组的题及答案关于南海问题 !主要表现在透镜组#双色镜与光纤的固定装置需 要不断地维护!或者只能把这些装置放置在防震平台 上!这些都使光纤激光器转换效率降低#并且需要维 护" 这种耦合方式在在研究初期所采用的耦合方式! 通过优化 设计 领导形象设计圆作业设计ao工艺污水处理厂设计附属工程施工组织设计清扫机器人结构设计 透镜与双色镜的参数!采用这种耦合系 统! 在 实验室 17025实验室iso17025实验室认可实验室检查项目微生物实验室标识重点实验室计划 得到了激光输出功率为 %%") 的包层泵 浦激光器*+, %!&利用熔融拉锥形成的锥形多模耦合器!把数 个带有尾纤的多模二极管输出的泵浦光耦合入刻有 光纤光栅的双包层光纤中!如图 + 所示" 或者利用在输入端单模光纤的束状耦合器直接 把数个带有尾纤的多模二极管输出的泵浦光耦合入 双包层光纤中!此时作为激光谐振腔镜的光纤光栅刻 在束状耦合器的单模光纤上!如图 #所示" %(&采用 - 形槽侧面泵浦技术" 不带尾纤输出的 泵浦二极管或二极管阵列!由于发散角比较大!在进 行端面泵浦时需要复杂的透镜耦合系统!但是有一项 侧面泵浦技术!就是在双包层光纤的内包层上开 - 形 槽!这样发散角比较大的二极管阵列就能有效地耦合 入双包层中!如图 $所示" 多模并行包层泵浦技术特性决定了该类激光器 有以下几方面的突出性能" % "&高功率 一个多模泵浦二极管模块组可辐射图 ! 透镜组"双色镜耦合系统 图 # 透镜组"光纤光栅耦合系统 图 $ 多模束状耦合器"刻有光纤光栅的 双包层光纤耦合系统 图 % 刻有光纤光栅的束状耦合器"双包层光纤耦合系统 包层泵浦光纤激光器及应用 光 器 件 !"# !""# 年第 $ 期光通信技术 出 %""&的光功率!多个多模泵浦二极管并行设置!即 可允许设计出很高功率输出的光纤激光器" #!$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" % !&很宽的泵浦波长范围 高功率的光纤激光器 内的活性包层光纤掺杂了铒’镱稀土元素!有一个宽且 又平坦的光波吸收区()*"+),"-./0因此!泵浦二极管 不需任何类型的波长稳定装置" % "&效率高 泵浦光多次横穿过单模光纤纤芯! 因此其利用率高" % #&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 激光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 %""万小时’ ! 包层泵浦光纤激光器的应用 包层泵浦光纤激光器在光纤通信(印刷(打标(材 料加工(军事(医疗和远程通信等领域有着广阔的应 用天地’ 在通信方面!包层泵浦光纤可以把廉价的多 模激光二极管的能量集中起来!使之变为可用的单模 高能信号光束!单模双包层掺 12*3光纤在 %##"-. 光通 信窗口可直接放大信号’另一方面!双包层掺 45*3光纤 激光器可以作为泵浦 1678 的中间光源!对掺铒光纤 中传输的 %##"-. 的信号光进行高功率放大"另外!此 种激光器也被用于泵浦喇曼光纤放大器!让喇曼光纤 放大器获得合适波长的高功率泵浦源! 使 12*3提供的 9"-.带宽可以开发利用!远距离大容量的光通信成为 了现实’ 在印刷工业中!利用包层泵浦光纤激光器扫描与 调制!可以在一块干衬底表面上形成图片!坐标单位 仅为 %"!.’ 现在!包层泵浦光纤激光器已被国外大多 数印刷厂家用来校样和制模’ 激光波长在 %"9"-. 附 近的双包层掺 45*3光纤激光器有非常高的效率和功 率!在材料加工(打标应用方面也向传统的激光器发 起了挑战’ 包层泵浦光纤激光器由于结构紧凑(价格相对低 廉和无气体(染料(溶剂等而特别适用于医学应用’ 小 型光纤激光器可用于光学相干层析 : 射线照相法!数 瓦量级的窄带 %"9*-. 掺 45*3光纤激光器可以通过自 旋偏振氦气!对像肺那样的低密度生物组织进行医学 成像’高功率 !!. 波长的光纤激光器可以用于显微外 科手术’ 另外!在治疗皮肤癌和去文身方面需要可见 光!这种光可以通过用倍频晶体将光纤激光器输出光 倍频的方法得到’ 利用倍频晶体和通过喇曼频移及参 量波长变换技术!可以由包层泵浦光纤激光器得到从 紫外到中红外任意波长的激光!满足不同医学应用领 域的需求’ 在军事方面!光电武器装备对战术武器性能起到 决定性作用’二极管泵浦固体激光器;6<==>/以其结构 紧凑(可靠性高(高效率(高光束质量(高峰值功率(寿 命长等优越的特性脱颖而出! 在前视 !下视成像目标 识别雷达(激光主动制导(火控(激光雷达探测化学战 剂(探测水下目标(探测地雷(探测风场切变(直升机 避障(激光卫星间通信(对潜通信(激光武器等研制和 验证中显示出巨大的优越性而独领风骚’ 其中高重复 率(高峰值功率的固体激光器在军用机载和星载装备 中具有重要的应用价值’ 因此!结构紧凑(全固化的的 包层泵浦激光器在军事领域内有着重要的应用’ " 结论 自包层泵浦技术被提出以来!人们对它在光纤激 光器中的应用作了大量的研究工作’ 在国外!包层泵 浦光纤激光器正以其优越的品质成为传统光纤激光 器的替代品!并展现出诱人的应用前景’ 在国内!包层 泵浦光纤激光器的研究起步相对较晚!目前所报道的 光纤激光器的输出功率仍然有限!远远没有发挥双包 层光纤高功率输出的性能!因而!存在着许多技术难 点有待以后解决’ 相信不久!基于包层泵浦技术的光 纤激光器在我国的光纤通信(传感(印刷(材料加工和 远程通信等领域将产生重大影响’ # 版面原因!参考文献略& 图 # $形槽侧面泵浦耦合方式示意图 包层泵浦光纤激光器及应用 光 器 件 "#$