掺Yb3＋双包层光纤激光器的研究进展

方 刚，徐向涛，全恩臣，戴特力，范嗣强，张 鹏

掺Yb3＋双包层光纤激光器的研究进展

方 刚，徐向涛，全恩臣，戴特力，范嗣强，张 鹏*

（重庆师范大学物理与电子工程学院重庆市高校光学工程重点实验室，重庆400047）

光纤激光器以其独特的优势得到快速发展，其应用范围已经扩展到工业加工、国防军事、医疗等领域。综述了连续、脉冲掺Yb3＋双包层光纤激光器的国内外研究进展，介绍了利用能承受高功率的合束器、光纤光栅的全光纤激光器，利用种子光主振荡光纤放大技术产生高光束质量、高平均功率、高峰值功率的脉冲光纤激光器。分析了影响光纤激光器功率提高的因素，如光纤的损伤、非线性性效应、热效应。最后，对掺Yb3＋双包层光纤激光器的发展前景进行了展望。

激光器；掺Yb3＋；光纤激光器；主振荡功率放大器；双包层光纤；非线性效应；热效应

引 言

近年来，随着大功率半导体激光器抽运技术和双包层光纤制作工艺的不断提高，光纤激光器的输出功率已经从最初的几百毫瓦上升到数千瓦水平［1］。光纤激光器以掺稀土元素（铒、镱、铥等）光纤作为增益介质，镱离子（Yb3＋）具有很高的吸收截面、较宽的吸收光谱（典型值为910nm～980nm）以及较宽的发射光谱（典型值为1040nm～1100nm），使其具有90%以上的量子效率，并且可以高浓度掺杂［2］；双包层光纤的出现使得抽运光的耦合效率相当高，因此，掺Yb3＋双包层光纤激光器的综合电光效率高达20%以上，光光转换效率超过60%；双包层光纤激光器的输出光束质量由纤芯直径d和数值孔径dNA决定，只要光纤的归一化频率ν＜2.404，就可以实现基横模运转，获得近衍射极限的激光输出；双包层光纤的表面积／体积比很大，使得散热性能非常好，对于百瓦级的光纤激光器，采用风扇制冷即可，对于千瓦级的光纤激光器，需采用水冷［3］；能承受高功率的合束器、光纤光栅的出现，使得双包层光纤激光器实现全光纤化成为可能，极大地简化了光纤激光器的设计和制作，而且光纤具有极好的柔绕性，因此光纤激光器的结构简单、紧凑灵活。本文中对近年来国内外连续、脉冲掺Yb3＋双包层光纤激光器的研究进展进行了综述，对影响光纤激光器功率提高的影响因素进行了分析。

1 研究进展

1.1分离器件连续掺Yb3＋双包层光纤激光器进展

普通单模光纤纤芯直径很小，一般在10μm以下，使得高功率抽运光很难耦合到纤芯。由于要将半导体激光抽运入单模光纤的纤芯，要求半导体激光也必须是单模，而单模半导体激光能达到的功率小于1W，这使得普通单模掺杂光纤激光器难以实现高功率输出。为了提高抽运转换效率和光纤激光的输出功率，1988年，美国Polariod公司的SNITZER等人提出双包层光纤［4］，双包层光纤比普通光纤多了一个内包层，内包层可以传输多模抽运光，其提高了抽运光的入纤功率和耦合效率，同时也降低了对抽运源的要求。随后，光纤激光器的输出功率不断攀升。2004年，英国南安普顿大学的JEONG等人报道了高效包层抽运的掺Yb3＋光纤激光器，其在波长1100nm处获得了1.36kW接近衍射极限连续激光输出，斜率效率达83%［5］。实验装置如图1所示。该掺镱光纤激光器使用双端抽运结构，抽运光通过准直聚焦后耦合到有源光纤，耦合效率大于90%，采用光纤端面自由输出并用V型槽对光纤两端进行散热。2009年，该研究小组又报道了利用同样的抽运结构在波长1.1μm处获得了大于2.1kW的连续激光输出，斜率效率达74%，光束质量M2＜1.2［6］。2010年，HE等人报道了采用优化结构参量的大芯径双包层光纤，双端抽运在波长1090nm处获得了l.75kW的连续波激光输出，斜率效率为76%［7］。

图1 两个二极管堆抽运的掺镱光纤激光器实验装置图

1.2全光纤连续掺Yb3＋双包层光纤激光器进展

由于全光纤激光技术具有效率高、光束质量好、稳定性高、免维护等优点，近几年来，利用能够承受高功率的光纤合束器、光纤光栅等无源器件使掺Yb3＋双包层光纤激光器全光纤化成为最受关注的研究热点之一。IPG公司利用其发明的光纤侧向抽运技术，不断刷新高功率光纤激光器的记录，其产品涵盖50kW以内连续光纤激光器和200W以内脉冲光纤激光器。英国SPI公司的产品涵盖1000W以内连续光纤激光器和平均功率70W、峰值功率20kW以内脉冲光纤激光器。IPG高功率全光纤激光器的结构如图2所示。二极管激光器（laser diode，LD）的抽运光通过光纤合束器进入有源光纤，谐振腔镜分别由高反射率的光纤光栅和低反射率的光纤光栅组成。来看看国内的情况：2011年，国防科学技术大学的MA等人报道了一台全光纤结构的光纤激光器，采用双端抽运结构，获得了1008W的高功率输出，输出激光的中心波长为1082nm，光转换效率为68%［8］；武汉锐科公司目前已经实现了4000W以内连续和100W以内脉冲光纤激光器产品。

图2 IPG高功率全光纤激光器结构图

单根光纤激光的输出功率达数千瓦时，其热效应及非线性效应成为提高功率的限制因素，采用光纤放大器的方式可以实现更高功率的激光输出［9］。IPG公司己经实现了10kW的单模、50kW的多模连续激光输出［8］。IPG公司10kW单模光纤激光器结构如图3所示。主振荡器输出功率为1kW、波长为1070nm的种子光，注入纤芯为30μm、长15m的掺镱光纤，放大级由45个波长为1018nm、功率为300W的光纤激光器进行抽运，采用1018nm的光纤激光器作为抽运源，虽然掺镱光纤在1018nm的吸收峰比975nm的吸收峰小约1个量级，但是1018nm光纤激光器的亮度要高约100倍（相比30W多模半导体激光器），而且量子缺陷低于5%，从而进一步减少了热量的产生。再看看国内的情况：2009年，中国科学院西安光学精密机械研究所在全光纤激光技术研究方面取得重要阶段性进展，采用两级放大输出功率超过1000W，光光转换效率为62%［10］；2011年，清华大学的YAN等人报道了采用主振荡器-二级放大的全光纤激光器，在波长1085nm处输出功率1.1kW，光光效率达66.5%［11］。

图3 IPG 10kW单模光纤激光器结构图

1.3脉冲掺Yb3＋双包层光纤激光器进展

与连续光纤激光器相比，脉冲光纤激光器具有高的峰值功率，能够与物质高效地进行相互作用，在激光加工、激光雷达、光谱学等领域有着广泛的应用。目前掺Yb3＋双包层光纤激光器产生脉冲的方式主要通过调Q、锁模、种子光主振荡功率放大（master oscillator power amplifier，MOPA）3种技术。调Q能产生高能量脉冲，脉冲宽度在纳秒级的激光；锁模输出激光脉冲宽度可达飞秒级。种子光主振荡光纤功率放大是用高光束质量较低功率的脉冲激光作为种子光源，注入到二极管激光器抽运的有源光纤内进行功率放大，实现高能量的脉冲激光输出，产生的激光波长、重复频率与种子光相同［12］。调Q、锁模获得的平均功率往往并不一定很大，因此，采用种子光主振荡光纤功率放大技术是实现高光束质量、高平均功率、高峰值功率的超短脉冲激光的理想方法。典型主振荡光纤功率放大器结构如图4所示，一般采用三级放大，既可以抑制光纤放大器产生的自发辐射，还可以实现高功率超短脉冲激光输出，光纤放大器之间的隔离器防止反向传输光影响种子光和前一级光纤放大器的工作特性，避免损害种子源和各级放大器的抽运源。

图4 典型主振荡光纤功率放大器结构图

2002年，德国耶拿大学的LIMPERT等人报道了在重复频率50kHz时，获得平均功率达100W；在重复频率3kHz时，获得脉冲能量4mJ，接近衍射极限的脉冲激光输出［13］。2005年，CHENG等人报道了在脉冲宽度为500ns和50ns时，脉冲能量分别达82mJ和27mJ；在脉冲宽度4ns时，峰值功率达2.4MW的掺Yb3＋光纤放大器系统［14］；LIMPERT报道了在重复频率47MHz时，获得了平均功率97W、峰值功率200kW、脉冲宽度10ps的超短脉冲输出［15］；ROSER报道了在重复频率73MHz时，获得了平均功率为131W、脉冲宽度为220fs、峰值功率8.2MW的超短脉冲输出［16］。2006年，英国南安普顿大学DUPRIEZ等人报道了利用主振荡功率放大获得了平均功率超过300W、重复频率为1GHz、脉冲宽度为20ps的超短脉冲激光输出［17］。2007年，ROSER报道了采用声光调制器获得了平均功率90W，脉冲能量100mJ，重复频率900kHz，脉冲宽度500fs超短激光输出［18］。2010年，CHEN等人报道了在重复频率908MHz时，获得了平均功率100W、脉冲宽度21ps的线偏振、单模掺镱皮秒光纤激光放大系统［19］。

2006年，中国科学院上海光学精密机械研究所KONG等人报道了在重复频率100kHz时，获得了平均功率133.8W、脉冲宽度400ns的输出；在重复频率20kHz时，获得了脉冲宽度15ns，峰值功率达300kW［20］。清华大学YE等人报道了利用固体激光器种子源在掺Yb3＋双包层保偏光纤进行放大，在重复频率40kHz时，获得了脉冲能量大于1mJ、脉冲宽度30ns、平均功率53.1W的线偏振脉冲激光［21］。2009年，LI等人报道了利用激光二极管抽运声光开关调制的固体激光器作为种子源，获得了平均功率为103W的脉冲激光输出，重复频率50kHz，脉宽12.7ns，峰值功率达162kW［22］。ZHOU等人报道了采用MOPA方式，获得了平均功率150W的脉冲放大激光输出［23］。2011年，YANG等人报道了在重复频率40MHz时，平均功率150W、脉冲宽度273fs的超短脉冲输出［24］。2012年，SU等人报道了主振荡功率放大MOPA结构的单频脉冲全光纤激光器，对重复频率10MHz、脉宽约8ns、平均功率约0.5mW的单频脉冲种子光进行级联放大，获得了平均功率300.8W的高功率激光输出［25］。

2 影响光纤激光器功率提高的因素

随着掺Yb3＋双包层光纤激光器功率的不断提高，光纤的损伤、非线性效应、热效应已经成为光纤激光器功率提高的制约因素。

2.1光纤的损伤

双包层光纤激光器要实现单模激光输出，其纤芯相关参量必须满足归一化频率：

式中，d为纤芯的直径，λ为信号光波长。由（1）式可知，双包层光纤激光器能否实现单模输出，是由纤芯的直径和数值孔径决定的。纯石英光纤的损伤阈值非常高，在脉冲激光下的损伤阈值约为100W／μm2（峰值功率）。对于掺杂石英光纤，由于掺杂降低了石英的均匀性和纯度，大大降低了光纤的损伤阈值，为了保证双包层光纤激光器性能稳定可靠避免烧毁光纤，在实际光纤激光器设计时一般取1.5W／μm2作为光纤的损伤阈值［1］。对于满足归一化频率实现单模输出的双包层光纤，6μm～10μm的纤芯直径可实现的最高功率在百瓦量级，这就限制了双包层光纤激光器在满足单模激光输出的条件下实现高功率输出。大模场光纤的出现，有效地解决了这一问题：通过增大纤芯直径和减小数值孔径来实现低阶模、高光束质量的激光输出。但是由于光纤材料的限制，纤芯数值孔径也不可能很小，目前技术上可实现其典型值为0.06，对应的最大光纤单模直径在17μm左右。

2.2非线性效应

在双包层光纤激光器中，由于纤芯所能承受的激光功率密度很高，且光纤长度较长，容易引起非线性效应，其主要包括受激布里渊散射（stimulated Brillouin scattering，SBS）、受激喇曼散射（stimulated Raman scattering，SRS）［26］。对于这两种非线性效应的产生，都存在一个阈值，当激光功率大于阈值时，才会出现非线性散射。SBS和SRS作为损耗都会影响高功率的激光输出［27］。

SBS散射的阈值表达式为：

SRS散射的阈值表达式为：

式中，gB和gR分别是布里渊增益系数和喇曼增益系数，其典型值分别为gR＝1×10－13m／W，gB＝5× 10－11m／W，Aeff是光纤纤芯的有效模场面积，Leff是光纤的有效长度，ΔνB是SBS增益带宽，一般为30MHz～50MHz，Δνs是信号光的带宽。可见光纤中受激布里渊散射的阈值比受激喇曼散射的阈值要低约两个数量级，根据（2）式可知，通过增大纤芯面积和减小光纤长度，增大受激布里渊散射的阈值，有利于高功率激光的输出。

2.3热效应

由于双包层光纤激光器使用细长的掺杂光纤作为增益介质，有大的表面积／体积比，因此散热性能很好。但是光纤激光器的输出功率达到几百瓦以上时，热效应问题就成为一个不可忽视的重要问题［28］。

双包层光纤激光器的径向温度为：

双包层光纤激光器的轴向温度为：

式中，Tc为环境温度；a，b，c分别为双包层光纤的纤芯、内包层和外包层的半径；相应的热导率分别为κ1，κ2，κ3；λp，λs分别为抽运光和信号激光的波长；α0为光纤对抽运光的吸收系数；P0为抽运光功率；L为光纤的长度。由（4）式与（5）式比较可知，双包层光纤激光器的径向温度梯度远大于轴向温度梯度，这表明在热传导过程中，热量主要是沿径向传输的。由（4）式可知，双包层光纤激光器的效应与环境温度、光纤对光纤对抽运光的吸收系数、抽运功率、包层直径等参量有关。光纤对抽运光的吸收系数越小，光纤内的温度相对较低，高功率的双包层光纤激光器，可以选择对抽运光吸收系数小的双包层光纤；由于双包层光纤的外包层为聚合物材料，其导热系数κ3比内包层和纤芯的导热系数要低很多，因此选择大半径尺寸的纤芯和内包层、小半径的外包层有利于光纤激光器的散热。由（5）式可知，双包层光纤的温度在抽运光注入端最高，随着光纤长度L的增大，双包层光纤的温度越来越小。因此，选择合适的双包层光纤对激光器的性能至关重要。

3 小 结

与传统的固体激光器相比，光纤激光器具有转换效率高、热管理方便、输出光束质量好、结构简单紧凑等优点，在通信、医疗、工业、军事等领域有着广阔的应用前景。随着半导体抽运激光、特种光纤、能承受高功率低损耗的合束器、光纤光栅、功率提升的相干合成、单频激光的功率提升、掺镱特殊波长光纤激光器975nm，1018nm，1030nm，1100nm等以及掺镱光纤激光器的频率变换技术等关键器件技术的不断提高，光纤激光器将克服光纤损伤、非线性效应、热效应等困难，实现全光纤化，输出功率从百瓦级向千瓦级甚至万瓦发展，高功率连续激光向高平均功率、高峰值功率的脉冲光纤激光发展。可以预见，光纤激光器将成为其它激光器的有力竞争对手，必将在未来各个领域中发挥重要作用。

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Research progress of Yb-doped double-clad fiber lasers

FANG Gang，XUXiangtao，QUANEnchen，DAI Teli，FANSiqiang，ZHANGPeng
（Optical Engineering Key Laboratory of Chongqing City，College of Physics and Electronic Engineering，Chongqing Normal University，Chongqing 400047，China）

Fiber lasers have grown rapidly for their unique advantages，which become very competitive in many applications such as industrial processing，defense and military，medical and other fields.The progress of continuous wave and pulse Yb-doped double-clad fiber laser at home and abroad was reported.All-fiber lasers with combiners and fiber gratings were introduced.Simultaneously，pulse fiber lasers with high beam quality，high average power and high peak power based on master oscillator fiber power amplifier technology were presented.The influencing factors of increasing power of fiber laser，including damage of the optical fiber，nonlinear effects，thermal effects，were analyzed.Finally，the development trends of the Yb-doped double-clad fiber lasers were predicated.

lasers；Yb-doped；fiber laser；master oscillator fiber power amplifier；double-clad fiber；nonlinear effect；thermal effect

TN248.1

A

10.7510／jgjs.issn.1001-3806.2014.02.028

1001-3806（2014）02-0278-05

重庆市自然科学基金资助项目（cstcjjA40029）；重庆师范大学博士启动基金资助项目（11XLB014）

方 刚（1989-），男，硕士研究生，主要从事微纳光子器件及高功率光纤激光器方面的研究。

*通讯联系人。E-mail：zhangpeng2010＠cqnu.edu.cn

2013-04-24；

2013-05-15