1.0um波段高功率全光纤结构连续掺镱光纤激光器
高功率IPG光纤激光器应用简介
高功率IPG光纤激光器应用简介一、IPG光纤激光器简介1.光纤激光器简介光纤激光器是指用掺稀土元素玻璃光纤作为增益介质的激光器，光纤激光器可在光纤放大器的基础上开发出来:在泵浦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激光能级“粒子数反转”，当适当加入正反馈回路(构成谐振腔)便可形成激光振荡输出。
2.光纤激光器的优势首先是使用成本低，光纤激光器替代了不稳定或高维修成本的传统激光器。
其次，光纤激光的柔性导光系统，非常容易与机器人或多维工作台集成。
第三，光纤激光器体积小，重量轻，工作位置可移动。
第四，光纤激光器可以达到前所未有的大功率(至五万瓦级)。
第五，在工业应用上比传统激光器表现更优越。
它有适用于金属加工的最佳波长和最佳的光束质量，而且光纤激光器在每米焊接和切割上的费用最低。
第六，一器多机，即一个激光器通过光纤分光成多路多台工作。
第七，免维护，使用寿命长。
最后，由于其极高的稳定性，大大降低了运行中对激光质量监控的要求。
简单来说就是高功率下的极好光束质量，高光束质量下的极好电光效率，高功率高光束质量下的极小体积、可移动性和柔性。
3.IPG简介全球最大的光纤激光制造商IPG Photonics由Valentin Gapontsev博士于1991年创建，总部设在美国东部麻省。
IPG在德国、美国、俄罗斯和意大利设有生产、研发基地，并在全球设有销售和服务网点，覆盖美国、英国、欧洲、印度、日本、韩国、新加坡和中国，并于2006年在美国纳斯达克上市。
十八年来，IPG致力于纵向合成，所有的核心配件均为IPG研发、生产和拥有，同时也是唯一一个能为客户提供高性价比的光纤和半导体激光器的厂家。
高功率是IPG的优势。
全世界已有上千台IPG的高功率(>1KW)光纤激光器在汽车制造、船舶制造、海上平台和石油管道、航空航天和技术加工等工业领域中得以应用。
在日本，我们向丰田、三菱、住友在内的客户售出了数百台IPG的大功率光纤激光器。
掺铥光纤激光器
掺铥光纤激光器1、掺铥光纤激光器掺铥光纤激光器的光谱可调谐范围更宽（~1600 nm-2200 nm），该波段处于人眼安全波段且包含了1940 nm附近的水吸收峰，对组织的穿透深度浅，且还包含几个大气窗口及特殊气体的吸收峰。
与同时处于人眼安全波段掺铒或铒镱共掺1550 nm激光器相比，掺铥光纤激光器的光光转换效率可达60%以上；且位于铥离子吸收带的790 nm半导体激光器技术成熟，可提供高功率泵浦源；此外，此波段泵浦时，量子转换效率为200%。
掺铥基质为石英光纤，也容易实现高功率输出。
对于掺铥光纤激光器的研究，连续输出已达千瓦量级，如：飞秒150 W的功率输出，皮秒也达到百瓦的输出功率水平，相比之下，单脉冲能量较高的纳秒量级脉冲输出平均功率较低，且多数为空间泵浦结构，最高仅为110 W。
793 nm 半导体泵浦激光器的输出功率已达数百瓦，所以掺铥光纤激光器的输出功率可更高。
且与掺镱光纤激光器相比，掺铥光纤激光的受激布里渊散射和受激拉曼散射的产生阈值要高4倍以上，光纤端面的损伤阈值也高出近10倍，在高功率输出方面优势更加明显。
目前高功率、可调谐掺铥光纤激光器正处于研究的热点。
2、研究进展(1)、纳秒脉冲掺铥光纤激光器研究进展（主动调Q）：输出参数（脉冲能量/功率、斜率效率/重频、脉宽）是否全光纤结构研究单位4 W，4 kHz，130 ns 否加拿大信息技术研究12.3 W，100 kHz，45 ns 否法德研究所33 W，13.9 kHz，15 ns 否耶拿大学应用物理研究所52 W，50 kHz，822 ns 是新加坡南洋理工大学(2)、皮秒/飞秒脉冲掺铥光纤激光器研究进展（锁模）：平均功率，重复频率，脉宽，实现方式是否全光纤结构研究单位3.1 W，100 MHz，108 fs，CPA 否美国IMRA公司5.4 W，100 kHz，300 fs，SESAM/CPA 是美国PolarOnyx公司7 W，2 MHz，33 ps，电流调制否英国南安普顿大学152 W，49.1MHz，~700 fs，CPA 否德国耶拿大学。
基于掺铒光纤作为可饱和吸收体的窄线宽光纤激光器研究
基于掺铒光纤作为可饱和吸收体的窄线宽光纤激光器研究张福宇;王蓟;薛明昆;衣文索
【期刊名称】《应用物理》
【年(卷),期】2024(14)4
【摘要】本文介绍了一种以未泵浦的掺铒光纤作为可饱和吸收体,通过3 dB耦合器及环形器,构成一个由驻波效应形成动态光栅的一种窄线宽光纤激光器。
测得在中心波长在1559.54 nm处得到输出的激光器,在泵浦功率为150 mW以下时可以保持长时间的稳定工作,泵浦功率为70 mW,输出光功率为17.03 mW,斜率效率为30.73%,光学信噪比为39 dB,波长分辨率的不稳定性小于0.03 nm,光学信噪比的波动小于0.16 dB,从0到1 MHz的37.5 kHz信号频谱中的弛豫振荡频率峰值为−89.6 dB/Hz。
通过延时自外差法测量线宽为1.99 kHz。
【总页数】9页(P157-165)
【作者】张福宇;王蓟;薛明昆;衣文索
【作者单位】长春理工大学物理学院长春;长春理工大学光电工程学院长春
【正文语种】中文
【中图分类】TN2
【相关文献】
1.(高功率窄线宽掺铒光纤激光器的研究进展
2.基于石墨烯可饱和吸收体的掺铒光纤环形腔脉冲激光器
3.基于金纳米棒可饱和吸收体的被动调Q掺铒光纤激光器
4.
基于氧化铜可饱和吸收体的掺铒光纤激光器5.基于保偏掺铥光纤饱和吸收体的2μm波段超窄线宽光纤激光器
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超连续光谱光源
超连续光谱光源超连续谱光源在众多科学领域具有广泛而重要的应用，近年来一直是国际研究热点。
此调研回顾了利用连续光激光器和脉冲光激光器抽运光子晶体光纤产生超连续谱广元的形成机制以及近几年来两种机制下高功率超连续谱光源所取得的进展，分析了在提高超连续谱光源输出平均功率过程中所需要克服的难题。
报道了国防科学技术大学通过优化超连续谱光源的整体结构，攻克了低损熔接、光纤端面抗损伤、热处理以及非线性效应的有效控制等关键技术，成功研制出一种全光纤结构、输出平均功率为177.6w的超连续谱光源，光谱范围覆盖1064-2000nm，10db光谱带宽约740nm，光-光转换效率高达56%，功率水平为国际领先。
背景窄带入射脉冲在介质中由于极度的非线性光谱展宽效应而产生的宽带连续谱被称为超连续谱(super continuum)，如图1.1所示。
超连续谱的产生由Alfano和shapiro[1,2]在块状玻璃中发现并首次报道，他们发现当波长为530nm、脉冲能量为5mJ的皮秒脉冲在块状BK7玻璃中传播后，可以获得波长从400到700nm的覆盖整个可见光范围的白光光谱。
之后超连续谱被广泛地研究，包括固体、有机和无机液体、气体以及各种类波导中产生超连续谱。
图1.1 超连续谱光源90年代后期光子晶体光纤形式的新型光波导的产生吸引了科学界广泛的兴趣，引发了一场通过超连续谱的产生来获得超宽带高亮度光谱的革命[3-5]。
1992年彻Russell等人首次提出PCF(Photonic Crystal Fiber ,PCF)的概念，1996年J.C.Knight等人成功拉制出世界上第一根PCF[6],之后对PCF的特性的研究迅速展开。
图1.2是PCF的横截面示意图，灰色区域是二氧化硅，白色区域是空气孔(air holes)，黑色区域是聚合体涂覆层(polymer coating)，d是空气孔的直径，Λ是空气孔的间距。
由图可看出PCF的包层由周期性排列的微米量级空气孔所组成。
光纤激光器及其应用
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表1 几类激光器性能的比较
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光纤激光器可用于材料加工和制造
不同材料加工所需光纤激光器功率如下: 金属切割:500w~2kw； 金属焊接和硬焊:500w~20kw； 金属淬火和涂敷:2~20kw； 玻璃和硅切割:500w~2kw； 聚合物和复合材料切割为200w~1kw； 快速印刷和打印:20w~1kw； 软焊和烧结为50~500w； 消除放射性沾染为300w~1kw。
申请了十几项专利技术。
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国内研究概况
（2）南开大学在研制出短脉冲光纤激光器的同 时，大胆创新，率先研制出了双包层光纤光栅，为 双包层光纤激光器的全光纤化研究，迈出了重要的 一步。
（3）武汉烽火通信成功推出了完全达到商用水 平的双包层掺镱光纤产品。据悉，通过上海光机所 试用，其斜率效率达到66％以上，在选用合适的光 纤长度和泵浦功率的条件下，可实现100W以上的 激光功率输出，达到国际先进水平。
CO2和YAG激光器： 体积大；高功耗；短 寿命；高维护费用； 使用不方便。
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掺镱光纤激光器：体积小；低功耗；长寿命 ；
低成本，免维护；光束质量好，工作面处功率 密度高；光纤传输到工作面，使用方便。
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深圳大族激光YLP-10光纤激光打标机
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YLP-10光纤激光打标机技术参数
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随着光通信的迅猛发展，光纤制造工艺与半 导体激光器生产技术日趋成熟，为光纤激光器 和放大器的发展奠定基础。英国的南安普敦大 学和通讯研究实验室、德国汉堡技术大学、美 国的Polaroid Corporation,Bell实验室，日 本的ＮＴＴ、Ｈｏｙａ均在光纤激光器研究中 取得许多重要成果。
连续波泵浦的高功率全光纤化超连续谱光源
连续波泵浦的高功率全光纤化超连续谱光源郭春雨;林怀钦;阮双琛;伍一鸣;欧阳德钦;杨锦辉;韦会峰;胡学娟【摘要】以6个输出功率为25 W的976 nm半导体激光器作为泵浦源,通过光纤合束器搭建双包层掺镱(Yb)光纤放大器,对中心波长为1 071.5 nm的10 W连续波掺Yb光纤激光器种子源进行主振荡功率放大,实现高功率输出.通过包层光剥离器及与系统双包层尾纤匹配的模场适配器,将放大系统的大模场双包层光纤与小芯径单模光纤进行模场匹配耦合,进而实现高功率连续波激光的单模输出.通过梯度折射率光纤熔接技术,将模场适配器的输出光纤与一段长度为200 m的高非线性光子晶体光纤进行高效率耦合,实现高功率连续波光纤激光器对高非线性光子晶体光纤的全光纤化泵浦,最终研制最大输出功率为36.5 W的全光纤化超连续谱光源,光谱范围覆盖990～1 700 nm,20 dB光谱范围达620 nm.%A high-power all-fiber continuous-wave (CW) fiber laser is achieved via a master oscillator power amplifier (MOPA) configuration pumped by six 25 W fiber pigtailed 976 nm laser diodes.The seed source is a 10 W Yb-doped CW fiber laser with a central wavelength of 1 071.5 nm.The mode-matching between the largemode double-clad pigtail fiber of the amplifier and a single-mode small-core fiber is realized through a claddinglight stripper (CLS) and a mode field adapter (MFA).Consequently,the high-power single-mode CW fiber laser is accomplished.Then,this single-mode CW fiber laser is used to pump a 200 m photonic crystal fiber (PCF) by using the GRIN fiber splicing technique,and a high-power all-fiber supercontinuum source with a maximum output power of 36.5 W and 20 dB bandwidth of 620 nm is demonstrated.【期刊名称】《深圳大学学报（理工版）》【年(卷),期】2013(030)004【总页数】5页(P423-427)【关键词】光电子与激光技术;超连续谱;连续波光纤激光器;主振荡功率放大;光子晶体光纤【作者】郭春雨;林怀钦;阮双琛;伍一鸣;欧阳德钦;杨锦辉;韦会峰;胡学娟【作者单位】深圳市激光工程重点实验室,先进光学精密制造技术广东普通高校重点实验室,深圳大学电子科学与技术学院,深圳518060;深圳市激光工程重点实验室,先进光学精密制造技术广东普通高校重点实验室,深圳大学电子科学与技术学院,深圳518060;深圳市激光工程重点实验室,先进光学精密制造技术广东普通高校重点实验室,深圳大学电子科学与技术学院,深圳518060;深圳市激光工程重点实验室,先进光学精密制造技术广东普通高校重点实验室,深圳大学电子科学与技术学院,深圳518060;深圳市激光工程重点实验室,先进光学精密制造技术广东普通高校重点实验室,深圳大学电子科学与技术学院,深圳518060;深圳市激光工程重点实验室,先进光学精密制造技术广东普通高校重点实验室,深圳大学电子科学与技术学院,深圳518060;光纤光缆制备技术国家重点实验室,长飞光纤光缆有限公司研发中心,武汉430073;深圳市激光工程重点实验室,先进光学精密制造技术广东普通高校重点实验室,深圳大学电子科学与技术学院,深圳518060【正文语种】中文【中图分类】TN248光子晶体光纤(photonic crystal fiber，PCF)具有高非线性系数和可控色散特性［1］，利用高功率光纤激光器作为泵浦源，使超连续谱(supercontinuum，SC)研究取得长足进步［2-8］.高功率连续波掺镱(Yb)光纤激光器与长度较长的光子晶体光纤结合也可产生超连续谱.与脉冲激光泵浦方式相比，基于连续波泵浦的超连续谱光源具有光谱功率密度高、光谱光滑以及强度噪声和相干长度低等优势［2］;高功率连续波超连续谱光源在高分辨光学相干层析成像、环境检测及激光雷达等领域具有重要的应用前景，因而得到广泛关注.2003年，Avdokhin等［9］利用1 065 nm掺Yb光纤激光器泵浦100 m光子晶体光纤，实现输出功率为3.8 W超连续谱，光谱从泵浦波长扩展到1 380 nm 的水峰吸收波长.由于在此波长处受强水峰的影响，光纤的吸收损耗非常大，限制了1 μm光纤激光器泵浦下，超连续谱光谱向长波的进一步扩展，以及输出功率的提高.随着光子晶体光纤拉制技术的提高，光纤的水峰吸收系数降低了1个量级.2005年，Travers等［10］在连续波泵浦下的低水峰光子晶体光纤中，实现光谱扩展到1 550 nm的超连续谱输出.利用短长度的光子晶体光纤在高功率连续波激光泵浦下，输出超连续谱也可突破1 380 nm处水峰的限制.Cumberland等［11］在50 W连续波泵浦条件下，通过一段短长度双零色散光子晶体光纤(零色散点分别为810 nm和1 730 nm)，得到平均功率为29 W的超连续谱输出，光谱从泵浦波长处扩展到1 670 nm，在长波零色散点的长波方向产生了色散波，但并未在短波零色散点的短波方向产生色散波.要想在零色散点短波方向产生新的光谱成分，要求泵浦波长位于光纤的反常色散区，且尽量接近光纤的零色散点，以利从泵浦演化产生的超短脉冲孤子扩展到正常色散区.Travers等［3］利用400 W工业级掺Yb光纤激光器作为泵浦源，获得的超连续谱输出功率首次突破50 W，是通过零色散波长位于泵浦短波方向的PCF，得到超连续谱光谱范围为1 050～2 200 nm;同时，也利用零色散波长与泵浦波长匹配的PCF，实现了光谱范围覆盖600～1900 nm的28 W宽带超连续谱输出［3］.Labat等［12］利用 100 W 的1 075 nm光纤激光器，泵浦180 m色散匹配的掺磷PCF，实现光谱达到可见光波段的36 W超连续谱输出.尽管在连续波泵浦下已实现如此高功率的超连续谱输出，但实验中泵浦源和光子晶体光纤非线性介质之间通过透镜进行空间耦合，并未实现全光纤化结构，因而限制了超连续谱光源的进一步应用.本文研究主振荡功率放大(master oscillator power amplifier，MOPA)结构的掺Yb高功率单模连续波光纤激光器，采用梯度折射率光纤(gradient-index fiber，GRIN fiber)熔接技术实现泵浦激光器与光子晶体光纤的全光纤耦合，最终研制出基于连续波泵浦的高功率全光纤化超连续谱光源.1 实验装置高功率超连续谱光源系统整体结构如图1.采用高非线性光子晶体光纤作为超连续谱产生的非线性介质，搭建MOPA结构的连续波单模掺Yb光纤激光器作为泵浦源.掺Yb光纤激光器尾纤与高非线性光子晶体光纤之间采用GRIN光纤熔接技术实现全光纤化高强度耦合.图1 基于连续波泵浦的全光纤化超连续谱光源系统结构图Fig.1 Experimental setup of the all-fiber CW-pumped supercontinuum source所用光纤为长飞光纤光缆公司的高非线性光子晶体光纤(high nonlinear PCF，HNL-PCF)，其采用堆积拉伸法拉制，纤芯与石英外层之间有5层周期结构.纤芯直径为4.7 μm，空气孔周期Λ 为3.3 μm，空气孔直径d为1.9 μm.由于一般光纤在1 380 nm处存在高水峰吸收，在光纤拉制过程中采用特殊方法来减弱OH 离子的影响，以减小水峰处的吸收损耗.利用光纤截断法对光子晶体光纤进行损耗测量，得到光纤水峰处的吸收系数为80 dB/km［13］.根据光纤端面图，利用有限元法(finite element method，FEM)对其色散和非线性系数进行理论计算，同时采用光纤色散测量仪(PE，CD 400)对其色散值进行验证，理论计算值与实际测量值非常吻合.光纤的零色散点位于1 030 nm处［14］，小于泵浦源的波长，在1 071.5 nm泵浦波长处的模场直径和非线性系数分别为3.9 μm和11 W-1·km-1. 图2 所用PCF的端面图及色散特性Fig.2 The cross-section and experimental measured dispersion of the PCFMOPA结构光纤激光器的种子源为1 071.5 nm的连续波单模光纤激光器，种子源的输出功率为10 W.功率放大级是掺Yb双包层光纤放大器:泵浦源为6个25 W 的976 nm半导体激光器，对Yb波段激光进行防反保护后输出;功率放大级增益光纤采用长度为15 m的大模场双包层掺Yb光纤(Nufern，LMA-YDF-20/400)，纤芯与包层的直径分别为 20和400 μm，数值孔径分别为 0.06和0.46，包层在976 nm处的泵浦光吸收系数为 1.7 dB/m;采用一个(6+1)×1的光纤合束器连接6个半导体激光器尾纤和掺Yb双包层增益光纤，进行全光纤化泵浦;在增益光纤之后熔接一个高功率包层光剥离器(cladding light stripper，CLS)，用来剥离剩余的976 nm泵浦光和激发到包层中的激光，避免对后续系统造成损坏.在CLS之后熔接一个光纤模场适配器(mode field adapter，MFA，输入光纤为LMA-20/400，输出光纤为HI-1060)，实现大模场双包层粗光纤和小芯径单模光纤之间的模场匹配耦合.HI-1060光纤的模场直径为6.2 μm，与用来产生超连续谱的HNL-PCF模场直径更为接近，易于实现两者的高效率熔接耦合.模场适配器输出端的HI-1060光纤与高非线性光子晶体光纤之间采用GRIN光纤熔接技术实现全光纤化高效耦合，最小熔接损耗达到0.26 dB［15］.梯度折射率光纤熔接技术允许光子晶体光纤的空气孔塌陷熔接，因而提高了常规光纤和光子晶体光纤之间的熔接强度.光子晶体光纤输出端为一个8角光纤端帽，避免激光反馈对系统稳定性的影响，超连续谱的输出光谱和功率分别采用光谱仪(Yokogawa，AQ6370 B)和功率计(LP-3C)进行监测.2 实验结果图3为光纤放大器在不同的泵浦功率(掺Yb双包层增益光纤入纤功率)下，整个系统输出超连续谱的光谱演化过程.随着泵浦功率的增大，输出超连续谱从泵浦波长处持续向长波方向扩展.在泵浦功率分别为 0、31.9、59.4和86.5 W 时，输出超连续谱长波限分别达到1 200、1 370、1 450和1 610 nm，对应的20 dB光谱带宽分别为20、220、330和430 nm.基于连续波泵浦的超连续谱来源于调制不稳定性(modulation instability，MI)产生的超短光脉冲.脉冲能量高于孤子形成阈值的部分超短脉冲演化形成基态孤子，基态孤子进一步经历孤子自频移效应(soliton self-frequency shift，SSFS)，从而形成长波拉曼孤子超连续谱［3，16］.图4为最大的泵浦功率下超连续谱的输出光谱，光谱的长波限已达到1 700 nm，20 dB光谱带宽为620 nm.尽管在最大泵浦功率下，输出超连续谱长波已经扩展到1 700 nm，但在泵浦波长短波方向仍未出现显著的光谱成分.这主要是因为泵浦波长为1 071.5 nm，位于光子晶体光纤的反常色散区且距离光纤1 030 nm处的零色散点较远，调制不稳定反斯托克斯边带或产生孤子的光谱没有扩展到光纤的正常色散区，因此，导致产生短波光谱成分的“孤子捕获”及“四波混频” (four-wave mixing，FWM)非线性效应效率很低［17-18］，光谱展宽机制主要是产生长波光谱成分SSFS效应.图3 光纤放大器不同泵浦功率下所对应的超连续谱的输出光谱Fig.3 Output spectra of the supercontinuum source at different pump power of the fiber amplifier图4 最大泵浦功率114.8 W下的超连续谱输出光谱Fig.4 The output spectrum of the supercontinuum source at the maximum pump power of 114.8 W 图5为输出超连续谱长波限与放大器泵浦功率之间的关系曲线，可见，超连续谱长波限整体趋于线性增长，仅在达到1 380 nm附近的水峰吸收处时曲线增长略有减缓.主要原因是连续波泵浦下超连续谱的产生要求较长的PCF来增强相互作用非线性效应，而较长的光纤在水峰处引入较大损耗，因此需要更大的泵浦功率来突破其吸收损耗对光谱扩展的限制.图6为超连续谱输出功率与光纤放大器泵浦功率之间的关系曲线，两者具有较好的线性对应，在最大的114.8 W泵浦功率下，超连续谱输出功率为36.5 W，其中，10 W的1 071.5 nm种子激光单独注入时超连续谱输出功率为3.26 W，因而，整个系统的光-光转化效率达到30%.图5 系统不同泵浦功率下输出超连续谱的长波限Fig.5 The longest wavelengths from the SC spectra with increasing pump power of the setup图6 超连续谱输出功率特性Fig.6 Output power of the generated supercontinuum with pump power of the setup结语本文对一个10 W连续波掺Yb光纤激光器进行主振荡功率放大，实现了连续波激光的高功率输出.在激光放大系统之后采用包层光剥离器和模场适配器，实现了放大系统中的大模场双包层光纤到小芯径单模光纤之间的模场匹配耦合和高功率激光的单模输出.利用梯度折射率光纤熔接技术，该高功率单模光纤激光器对200 m高非线性光子晶体光纤进行全光纤化泵浦，最终实现了最大输出功率为36.5 W的全光纤化超连续谱光源，光谱范围覆盖990～1700 nm，20 dB光谱范围达到620 nm.超连续谱输出功率和光谱扩展相对放大器泵浦功率具有较好线性关系，若采用更高功率的半导体激光器泵浦源，有望实现更高功率及更宽光谱范围的超连续谱输出.参考文献 /References:［1］Knight J C，Birks T A，Russell P S，et al.All-silica single-mode opticalfiber with photonic crystal cladding ［J］.Optics Letters，1996，21(19):1547-1549.［2］Kudlinski A，Bouwmans G，Douay M，et al.Dispersionengineered photonic crystal fibers for CW-pumped supercontinuum sources［J］.Journal of Lightwave Technology，2009，27(11):1556-1564.［3］Travers J C，Rulkov A B，Cumberland B A，et al.Visible supercontinuum generation in photonic crystal fibers with a 400 W continuous wave fiber laser ［J］.Optics 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photonic crystal fiber pumped with a high-power nanosecond fiber laser［J］.Chinese Journal of Lasers，2013，40(4):0405003-1-0405003-6.(in Chinese)郭春雨，欧阳德钦，阮双琛，等.高功率纳秒光纤激光器抽运锥形光子晶体光纤产生超连续谱［J］.中国激光，2013，40(4):0405003-1-0405003-6.［9］Avdokhin A V，Popov S V，Taylor J R.Continuous-wave，high-power，Raman continuum generation in holey fibers［J］.Optics Letters，2003，28(15):1353-1355.［10］Travers J C，Kennedy R E，Popov S V，et al.Extended continuous-wave supercontinuum generation in alow-waterloss holey fiber［J］.Optics Letters，2005，30(15):1938-1940.［11］Cumberland B A，Travers J C，Popov S V，et al.29 W high power CW supercontinuum source［J］.Optics Express，2008，16(8):5954-5962. ［12］Labat D，Mélin G，Mussot A，et al.Phosphorus-doped photonic crystal fibers for high-power(36 W)visible CW supercontinuum ［J］.IEEE Photonics Journal，2011，3(5):815-820.［13］Guo Chunyu，Ruan Shuangchen，Yan Peiguang，et al.A low-cost，CW-pumped supercontinuum source ［J］.Laser Physics，2013，23(5):055403-1-055403-4.［14］Guo Chunyu，Ruan 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全国产化掺镱双包层高功率光纤激光器的研制
Ｖｏ ． ０ Ｎ＿ １４ Ｏ ２
Ａ ｐｒ ２０ ． ０７
文 章 编 号 ：０ ６ — ９ ２ ２ Ｏ ） ２ ０ ８ — ４ ４ ５７ ４ （ Ｏ ７Ｏ —０ ７０
全 国产 化 掺镱 双 包 层 高功 率光 纤激 光 器 的 研 制
贾 杰， 秀 郭占 范 德 ， 圣贵 ， 城， 万 。 付 袁树忠 ， 宁 。 孝义 鼎 ， 董
近成功 实现 了在一 根光 纤上 产生具 有衍 射极 限 光束质 量 、 出功率 达 到千 瓦级 的高功 率光纤 激 光器 ． 输
为 获 得 高 功率 的激 光输 出 ， 掺杂 镱 离 子 光 纤 具 有 独 到 的 优 势 ． 镱 光 纤 能够 在 一 定 的 波 长 范 围 内 掺 （ ７ ｉ￣ｌ２ ０ｎ 实 现波 长 可调 的高功 率输 出． ９ ５ｎｌ ０ ｍ） ＇ ｑ 因为 镱元 素 的 吸收 谱 比较 靠 近荧 光 谱 ， 因此 只有 很 少 部 分 的泵 浦 能量 被浪 费． 不仅 如此 ， 镧 系元 素不 同 的是 ， 和 镱元 素 只有 一个 单 一 的激 发态 ， 因此 ， 不会 受 它
高质量 双包层 光纤 及器件 ， 在此 基础 上进 行全 国产 双包 层光 纤激 光器 的开 发． 于 ２ ０ 并 并 ０ ３年初 ， 现 了输 实 出功率 为 １ ８ｗ 的全 国产化 器件 掺 Ｙ 。 ． ｂ 双包 层光 纤激 光器 ＿ ． ６ 叫］ 在课 题组 已有研 究 的基 础上 ， 使用 自行研 制 的大 模 面积光 纤增 益介 质 ， 自行 设 计 的高效光 学耦安 普顿 大学 的 Ｐ ｏｅＳＢ等 人口 用 ＭＯＣ ｏｌ ＶＤ法 制成 低损 耗 的掺铒 光纤 ， 由于掺 铒光 纤激 光器 激光 波长恰 好位 于光 通信 的低损 耗 窗 口， 随着 掺铒 光纤 放大 器 （Ｅ Ｆ Ｄ Ａ）在光 通信 领 域 中 的 地位 不断 提高 ， 才使 光纤 激光 器 成为研 究 热点 ． 期 的激 光器 是将 泵 光直 接耦 合 进小 于 １ ｍ 的纤 芯 ， 早 ０ 耦 合效 率很 低 ． ０世 纪 ９ 代 后期 ， ２ ０年 随着 半导 体 激光 器 及其 掺 杂光 纤 制 作技 术 的 日益 成熟 ， 纤 激光 器 的 光 研 究也 取得 了重 大进 展 ， 输 出功率 从 １ ９ 其 ９ ４年 的 ５ ０ｍｗ 提 高到 ２ ０ ０ ０ ４年 的 ２０ ０Ｗ． 用 的光纤从 传统 ０ 使 的单模 光 纤到 双包 层光 纤． 不过 ， 人们 很 快就 认识 到 ， 了获得 更 高功 率 的输 出 ， 为 常规 的小 芯径 、 数 值孔 大 径 的光 纤设 计 已经 不适 合大 功率 输 出的应 用． 而具有 高稀 土元 素 掺杂浓 度 ， 同时 其芯径 相对 较 大而数 值孑 Ｌ 径 相对较 小 的所谓 大 模场 面积 （ ＭＡ） 纤却 能够 克 服这 些 限制 ． Ｌ 光 随后 ， 过采 用这 种 Ｌ 通 ＭＡ 光纤 ， 们最 人
光纤的种类
光纤的种类1.石英光纤石英光纤（Silica Fiber）是以二氧化硅（SiO2）为主要原料，并按不同的掺杂量，来控制纤芯和包层的折射率分布的光纤。
石英（玻璃）系列光纤，具有低耗、宽带的特点，现在已广泛应用于有线电视和通信系统。
石英玻璃光导纤维的优点是损耗低,当光波长为 1.0～1.7μm（约1.4μm附近），损耗只有1dB/km，在1.55μm处最低，只有0.2dB/km。
2.掺氟光纤掺氟光纤（Fluorine Doped Fiber）为石英光纤的典型产品之一。
通常，作为1.3Pm波域的通信用光纤中，控制纤芯的掺杂物为二氧化锗（GeO2），包层是用SiO炸作成的。
但接氟光纤的纤芯，大多使用SiO2，而在包层中却是掺入氟素的。
由于，瑞利散射损耗是因折射率的变动而引起的光散射现象。
所以，希望形成折射率变动因素的掺杂物，以少为佳。
氟素的作用主要是可以降低SIO2的折射率。
因而，常用于包层的掺杂。
由于掺氟光纤中，纤芯并不含有影响折射率的氟素掺杂物。
由于它的瑞利散射很小，而且损耗也接近理论的最低值。
所以多用于长距离的光信号传输。
石英光纤与其它原料的光纤相比，还具有从紫外线光到近红外线光的透光广谱，除通信用途之外，还可用于导光和传导图像等领域。
3.红外光纤作为光通信领域所开发的石英系列光纤的工作波长，尽管用在较短的传输距离，也只能用于2pm。
为此，能在更长的红外波长领域工作，所开发的光纤称为红外光纤。
红外光纤（Infrared Optical Fiber）主要用于光能传送。
例如有：温度计量、热图像传输、激光手术刀医疗、热能加工等等，普及率尚低。
4.复合光纤复合光纤（Compound Fiber）在SiO2原料中，再适当混合诸如氧化钠（Na2O）、氧化硼（B2O2）、氧化钾（K2O2）等氧化物的多成分玻璃作成的光纤，特点是多成分玻璃比石英的软化点低且纤芯与包层的折射率差很大。
主要用在医疗业务的光纤内窥镜。
5.氟、氯化物光纤氟化物光纤氯化物光纤（Fluoride Fiber）是由氟化物玻璃作成的光纤。
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PPUMP[W]
掺镱光纤的吸收和发射谱
泵浦吸收带宽，9xxnm波段，选择范围大；增益带宽较大易于实现不同 波长的输出或者可调激光器的输出；相对较长的粒子上能级寿命，利于 能量积累，有利于实现调Q，锁模激光输出。
Fitted Abs. spectrum, calculated g* for LMA-YDF-20/400
高功率连续掺镱光纤激光器的关键器件
高功率光纤布拉格光栅FBG HR：高反光纤光栅High Reflectivity >99.5%的反射率，反向漏光 低 宽的3dB带宽（FWHM）， 1.5~2nm Chirp啁啾设计 功率承受能力>1000W （信 号），>1000W （泵浦）实测 泵浦功率>1500W.55
kW级高功率双包层光纤光栅
FBGL4EHC4555 & FBGL4ELC4555透射谱
掺镱光纤的选择
kW级高功率连续掺镱光纤激光器对光纤的要 求。
适度的掺杂浓度，9xxnm的吸收水平，避免团簇聚集（clustering）导致 的淬灭（quenching）效应。降低光子暗化（Photodarkening）效应。 相对较大，标准的400um包层兼容商用半导体泵浦激光器尾纤，降低应 用成本。 大模场（LMA）低数值孔径（NA）纤芯设计，降低纤芯模式传输数量， 提升输出光束质量（Beam quality)。 高可靠的涂覆层设计，满足工业级光纤激光器的长期可靠性要求。 有源光纤和无源光纤器件之间必须严格匹配，保证输出光束质量和功率 稳定性。
MMC0611C6493
Combiner泵浦功率承受能力
合束器的单 臂泵浦功率 承受能力和 应用有很大 的关系。 右图展示了 （6+1)x1型 合束器在不 同的壳体温 度下，承受 不同的信号 功率情况下 的单臂泵浦 功率承受能 力。 600
Max Power per pump leg (W)
#3-#2 - 1.37 Meters
1100
1150
#3-#1 - 5.29 Meters
Nufern LMA-YDF-20/400双包层掺镱光纤实测吸收谱
Nufern第八代Gen.VIII掺镱光纤
Measured Absorption and Calculated Emission 2.00 Cross-Sectionsfor Yb in Gen VIII host glass
500 400 300 200 100 0 0 20 40 60 Ambient temperature (C)
0 125 250 375 500 625 750 875 1000
Combiner泵浦功率承受能力
如何提升合束器的泵浦功率承受能力？ 降低泵浦光纤插入损耗---损耗在耦合区的泵浦功率 较低---泵浦光纤的波导受损较小---信号光纤波导破 坏相对严重---信号光损耗增大 合适的制冷方式，例如双面制冷。 降低通过合束器信号光纤的激光功率 前向泵浦方式（co-pumping)的合束器通常承受的 信号激光功率较低（MO），或者没有信号激光功 率，可以承受较高的泵浦功率。
1.0um波段高功率全光纤结构连续 掺镱光纤激光器
上海瀚宇光纤通信技术有限公司
张瑞新 2012年8月
目 录
掺镱光纤激光器的领先优势 掺镱光纤激光器工作波长的选择 1.0um波段高功率连续掺镱光纤激 光器（百瓦~kW量级） kW量级高功率连续单模掺镱光纤激 光器
掺镱光纤激光器的领先优势
掺镱光纤激光器的领先优势
掺镱光纤激光器因为有较高的泵浦应用效率，中低 功率的掺Yb激光器可以采用风冷机制，有利于小型 化的系统集成。 相对容易的热管理
掺镱光纤的高转换效率意味着系统产生的热较小
。
光纤激光器的特点是整根光纤都可以散热，散热表面积较大。
波导结构的设计决定光纤激光器的输出光束质量， 优化设计的光纤能够实现kW级单模输出的高功率光 纤激光器。
功率放大器的增益不宜过高。建议<10dB.
过高的增益需要较高功率的泵浦，增加（N+1)x1型合束器的负担。 相对较低的种子信号功率导致放大级ASE的增加，容易产生自激（Self-lasing)威胁系统 的安全。 过高的放大级增益降低了系统对回波反射光的抵御能力。 ASE在大模场（LMA）光纤中传输，降低系统增益，让输出光束质量下降。 过高的ASE增加输出端包层功率剥离器（Cladding Power Stripper: CPS)的负担。
掺镱光纤激光器的领先优势
光纤激光器的热效应不会引起光束质量的劣化。 光纤激光器可以实现一体化全光纤结构设计，所有 器件之间采用永久性的连接（熔接），没有活动器 件，不需要复杂的维护，和固体激光器以及气体激 光相比，有应用成本和维护成本方面的优势。 光纤激光器相对尺寸较小，重量较轻，可以节省激 光器系统的安装空间。 可以采用主振荡腔（MO）以及主振荡功率放大 （MOPA）技术实现高功率的光纤激光器输出。
2.
高功率连续掺镱光纤激光器的设计（1）
（N+1)x1单端前向泵浦（Co-pumping)
关键器件
（N+1)x1 combiner
高功率（N+1)x1型多模泵浦合束器，泵浦光纤典型为105/125um NA=0.22或者200/220um光纤 NA=0.22; 单臂功率能力100W ，200W 。 信号输入光纤：单模或者大模场LMA 信号输出光纤：LMA-GDF-20/400-M NA=0.065/0.46 高功率封装，功率承受能力>1kW.
Counter-pumping (N+1)x1 Combiner
MMC0611C6493
信号光纤/输出光纤 20/400um NA=0.06/0.46 泵浦光纤 200/220um NA=0.22 单臂承受功率能力：100W 应用：Couter-pumping.
Counter-pumping (N+1)x1 Combiner
高功率连续掺镱光纤激光器的设计（3）
主振荡功率放大（MOPA）设计
MOPA高功率连续光纤激光器
模场适配器（Mode Field Adaptor: MFA) 低功率单模主振荡腔（MO）种子激光器和高功率大模场（LMA）放大器（PA）之间
的模场适配是系统安全和输出光束质量保证的关键。 单模---LMA光纤之间的模场匹配，抑制高阶模式（HOM）产生是保证放大级（N+1)x1 型合束器安全稳定工作的关键因素之一。
2.5
Absorption and g* (dB/m)
Absorption g*
2.0
1.5
1.0
0.5
0.0 850 870 890 910 930 950 970 990 1010 1030 1050
Wavelength (nm)
掺镱光纤激光器工作波长的选择
掺镱光纤激光器的典型工作波长为1064nm1090nm，例如1080nm。 因为掺镱光纤的准三能级特性，合适的工作波长选 择能够得到更高的系统效率。 掺镱光纤激光器工作在~1040nm或者以下的波长开 始有明显的三能级系统特征：需要较高的粒子激发 态水平，阈值泵浦功率增大，没有抽运的有源光纤 对激光波长有强烈的吸收，降低激光增益，以及系 统效率。
kW级(6+1)x1型泵浦合束器
MMC0611C3437 输入输出信号光纤： 20/400um NA=0.06/0.46 泵浦光纤：200/220um NA=0.22 单臂功率能力：200W 总功率承受能力：200W x 6 =1200W 泵浦方式：前向泵浦 （ co-pumping)
掺镱光纤激光器工作波长的选择
掺镱光纤激光器工作在1080nm或者以上的波长是开始有明 显的四能级系统特性，未经泵浦的光纤对激光没有重复吸收 的现象，阈值泵浦功率较低，展现的是净增益现象，随着泵 浦功率提高，激光增益提高。 掺镱光纤激光器工作在1040~1080nm之间属于准三能级系 统。光纤长度需要优化设计。 【结论】
高功率光纤布拉格光栅
FBGL4EHC4555
高功率连续掺镱光纤激光器的关键器件
FBGL4ELC4555 低反射率光栅OC （Output Coupler) 反射率典型值10%，可指 定 FWHM：1nm（可指定） 和HR光栅之间的中心波 长偏差<0.2nm 均匀光栅或者啁啾光栅 承受功率能力>1000W
MMC0611C3437
关键技术指标：
高功率连续掺镱光纤激光器的设计（2）
(N+1)x1双向泵浦MO设计 (Co & counter Pumping)
关键器件
Counter-pumping （N+1)x1 combiner 和前向泵浦的（N+1)x1型合束器不同 需要承受较高的信号功率---信号插入损耗低 较高的泵浦插入损耗---单臂泵浦功率较低 同样的封装结构---同样的散热功率处理能力 Counter-pumping的combiner需要考虑LP01 模式的稳定性，保证系统的输出光束质量
在过去的将近20年内，灯泵浦固体激光器和 气体激光器（CO2）成为工业激光加工领域 的主力军。随着新一代光纤激光器的出现， 这种局面正在面临改变。 高效率的1.0um波段掺镱光纤激光器
甚至超过75%的光-光转换效率。 9xx泵浦掺Yb光纤激光器实现1.0um波段输出，典型的工作波长例如 1064nm，1070nm，1080nm，1085nm，1090nm等等。替代固体激光 器例如Nd:YAG以及薄片激光器（Disk Laser）。
掺镱光纤
掺镱（Yetterbium-doped）激光介质的 电子能级结构非常简单，属于准三能级 系统。 掺镱光纤采用9xxnm半导体泵浦，例如 976nm实现高功率1064-1085nm波段的 激光输出，量子亏损相对较小，系统产 生热量低。 镱离子能级结构简单，只有单个激发态 （Stark level manifold), 不会像其他有 源离子一样因为激发态吸收ESA （Emission state absorption)，或者淬 灭（Quenching）导致复杂的激发态。 因而可以实现较高浓度的掺杂。