文中报告了掺Yb3+双包层光纤激光器的理论和实验研究工作。在稳态条件下,基于速率方程推导了掺Yb3+双包层光纤激光器在强泵浦条件下的简化型解析解。实验上,利用975 nm大功率半导体激光作为泵浦源,采用单端泵浦技术,获得了88 W波长为1 082.4 nm的连续激光输出,斜效率高达84.4%。实验结果与理论的简化型解析解相比较,两者基本一致

叶陈春

康赟

戴贤哲

李齐波

罗正钱

蔡志平

Xiamen University Institutional Repository

第 36卷，增刊                         红外与激光工程                          2007年 6月 Vol.36 Supplement                            Infrared and Laser Engineering                                  Jun.2007  收稿日期：2007-04-30 基金项目：福建省科技计划重点项目(2005H089) 作者简介：戴贤哲(1982-)，男，福建漳州人，硕士，主要从事双包层光纤激光器的研究工作。Email:joiet@163.com 通讯作者：叶陈春，Email:ccye@xmu.edu.cn 掺 Yb3+双包层光纤激光器的理论及实验研究  戴贤哲，罗正钱，叶陈春，蔡志平，李齐波，康  赟  （厦门大学  电子工程系，福建  厦门  361005）  摘  要：文中报告了掺 Yb3+双包层光纤激光器的理论和实验研究工作。在稳态条件下，基于速率方程推导了掺 Yb3+双包层光纤激光器在强泵浦条件下的简化型解析解。实验上，利用 975 nm大功率半导体激光作为泵浦源，采用单端泵浦技术，获得了 88 W波长为 1 082.4 nm的连续激光输出，斜效率高达 84.4％。实验结果与理论的简化型解析解相比较，两者基本一致。 关键词：光纤激光器； 双包层光纤； 解析解 中图分类号：TN248      文献标识码：A      文章编号：1007-2276(2007)增(激光)0032-04 Theoretical and experimental study of Yb3+-doped double-clad fiber laser  DAI Xian-zhe, LUO Zheng-qian, YE Chen-chun, Cai Zhi-ping, Li Qi-bo, Kang Yun (Department of Electronic Engineering,Xiamen University,Xiamen 361005,China)  Abstract: Studies of Yb3+-doped double-clad fiber lasers(Yb-DCFL) are reported. Under the steady-state conditions, a simplified analytic solution is deduced in the strongly pumped condition based on the rate equations. Using a 975 nm laser diode (LD) as the pump source, we obtained  88 W CW output laser power at a wavelength of 1 082.4 nm is obtained. The slope efficiency is as high as 84.4%. The experimental results and theoretical ones from our analytic solution match very well. Key words: Fiber laser;  Yb3+-doped double-clad fiber;  Analytic solution 0  引  言  双包层光纤激光器作为一种新型的高功率激光器件，由于光束质量好、效率高、易于散热等特点，在许多领域都具有巨大的应用前景，如激光加工、光通信、军事、医疗等领域。随着光纤设计和工艺的改进、高功率半导体二极管阵列激光技术的成熟,双包层光纤激光器近几年倍受国内外学者关注，且商业化开发应用已形成一定规模。2004年，Jeong等人研制成功输出功率达 1.36 kW波长为 1.1 µm的大模场掺Yb3+双包层光纤激光器（Yb-DCFL）[1]。2005 年，Gaponstev 通过整合多个百瓦级的双包层光纤激光源获得了高达 2 kW的激光输出[2]。同年，IPG公司利用种子光振荡放大技术实现了单根光纤高达近 2 kW的准单横模激光输出[3]。近几年，国内有关双包层光纤激光器的实验研究也取得了较大成功。2006 年中科院上海光机所报道了采用双端泵浦国产掺 Yb3+双包层光纤实现了 714 W的高功率输出[4]。清华大学也获得了超过 700 W的输出功率[5]。在理论方面，国内外许多研究者也专门地研究了高功率双包层光纤激 增刊                             戴贤哲等：掺Yb3+双包层光纤激光器的理论及实验研究                            33  光器的运转特性。在忽略双包层光纤散射损耗情况下，Kelson 和 Hardy 已经推导了掺 Yb3+双包层光纤激光器的输入输出关系、激光阈值、斜效率、最优光纤长度、最佳输出镜反射率的解析表达式，同时也给出了在考虑散射损耗情况下的准解析解（必须执行数值迭代）[6-7]。Xiao 等人在考虑散射损耗情况下，进一步获得了其近似解析解[8]。然而，他们的解析解在较高输出镜反射率情况下存在较大的误差。当输出镜反射率为 20%时，近似解析解相对于数值解的误差达到 6.4%。 文中报道了在厦门大学开展的掺Yb3+双包层光纤激光器的理论和实验研究工作。基于稳态速率方程，在考虑散射损耗情况下推导了掺Yb3+双包层光纤激光器的简化型解析解，并将理论和实验结果相比较。  1  理论分析  图 1 为前向泵浦掺 Yb3+双包层光纤激光器的示意图，泵浦光通过左腔镜M1后耦合进双包层光纤，激光从光纤的右腔镜 M2输出，R1、R2分别是 M1和M2的反射率。在实际情况中，M1的反射率接近 1，而M2的反射率较低。  图 1  掺 Yb3+双包层光纤激光器示意图 Fig.1  Schematic of Yb-DCFL 在稳态条件下,双包层光纤激光器的速率方程为[9]： s fa p a p ppp 0sf sd ( ) exp[ ( ) ]d( ) ( )1 [ ( ) ( )]/P z a P a F a zz hvP P z a P zA P z P z Pσ τΓ++++ −= − + ×+−+ +  (1) s fa p a p ppp 0sf sd ( ) exp[ ( ) ]d( ) ( )1 [ ( ) ( )]/P z a P a F a zz hvP P z a P zA P z P z Pσ τΓ−−−+ −= − − + ×+++ +  (2) s fa p a p pppf s( ) exp[ ( ) ]11 [ ( ) ( )]/g z a P a F a zhvA P z P z Pσ τΓ+ −= − + ×+ +     (3) 边界条件为： 1(0) (0)P R P+ −=                (4) 2( ) ( )P L R P L− +=                (5) 式中：P+(z)和 P-(z)分别是腔内正向传播和反向传播的激光功率；g(z)是沿光纤的增益系数；Pp是注入光纤中的泵浦光功率；aa为双包层光纤的纤芯对泵浦光的吸收系数；ap和 as分别是双包层光纤对泵浦光和激光的散射损耗系数；σs为激光的受激发射截面；τf是荧光寿命；hvp是泵浦光子的能量；Af是双包层光纤的纤芯有效截面面积；Γp是泵浦模场在双包层光纤掺杂区域的交叠系数；L 是双包层光纤的长度；Ps=(hvs/σsτf)·Af是激光的饱和输出功率；P0是自发辐射的功率。 在强泵浦的情况下，自发辐射将非常弱，通常被忽略（P0=0）。从而，由公式（1）和（2）可以得到如下的关系[6-9]： ( ) ( )P z P z k+ −⋅ =               (6) 定义ψ(z)=P+(z)-P(z)，公式（6）可写为： ( ) ( ( ) ( ))P z P z z kψ+ +⋅ − =           (7) 求解公式（7）可得： 2( ) ( ) 4( )2z z kP zψ ψ+ ± +=           (8) 显然 P+(z)>0，所以2( ) ( ) 4( )2z z kP zψ ψ+ + += ，化简后可得： 2( ) ( ) ( ) ( ) 4z P z P z z kφ ψ+ −= + = +     (9) 在光纤不是太长且泵浦光足够强的情况下，信号光在双包层光纤中的增益总是大于损耗，在 Z的正方向上 P+(z)单调递增，P-(z)单调递减，因此，ψ(z)在沿Z的正方向单调递增。从公式（9）可以看出φ(z)沿 Z正方向是单调递增，所以，φ(z)在 Z=0和 Z=L分别取 34                                  红外与激光工程：先进激光技术发展与应用                             第 36卷  得最小值和最大值： min( ) (0) (0)z P Pφ+ −= +         (10) max( ) ( ) ( )z P L P Lφ+ −= +         (11) 对于连续输出掺 Yb3+双包层光纤激光器稳态运转情况下应满足下列条件： s 1 20( )d ln( ) / 2Lg z z a L R R= −∫        (12) 将公式（3）代入公式（12）可得： p a ps 1 2S0exp( ( ) )d ln( ) / 2( )L F a a zA z a L R RP zφ− += −+∫   (13) 式中：s f p a p sp fa P PAhv Aσ τ Γ= 。为了简化公式（13）左边的积分，将公式（10）和公式（11）分别代入公式（13）后求积分可得： P a p11 2 2 1( )sP a p s 1 21( )/(1 e )[ ]( )( ln( ) / 2)a a LP LR R R RA Pa a a L R RΓΓ+− += ×+−−+ −   (14) P a p22( )sP a p s 1 21( )1(1 e )[ ]( )( ln( ) / 2)a a LP LRA Pa a a L R RΓΓ+− += ×+−−+ −   (15) 因此可以将 P+(L)写成： 1 2( ) ( )( )2P L P LP L+ ++ +=           (16) 从掺 Yb3+双包层光纤右侧输出的激光功率可以写成： P a pout 2221 2 2 1( )sP a p s 1 2(1 ) ( )1 1(1 )( )1/(1 e )[ / 2]2( )( ln( ) / 2)a a LP R P LRRR R R RA Pa a a L R RΓΓ+− += −= − + ×++−−+ − (17) 当 Pout=0 时，可以得到掺 Yb3+双包层光纤激光器的阈值泵浦功率： P a pp f P a p s 1 2th ( )s f p a( )( ln( ) / 2)(1 e )a a Lhv A a a a L R RPa ΓΓσ τ Γ − ++ −=−  (18)  2  实  验  图 2为掺 Yb3+双包层光纤激光器的实验装置图，泵浦源为 LIMO200-F400-DL975 大功率半导体激光器，从光纤输出的连续波功率 200 W，通过温控装置可以将中心波长稳定在 975 nm，谱线宽度小于 5 nm。  图 2  掺 Yb3+双包层光纤激光器的实验装置图 Fig.2  Configuration of Yb-DCFL 如图 2所示，泵浦光经过一对焦距为 25 mm、对泵浦光和激光都增透的透镜准直聚焦后耦合注入双包层光纤，泵浦光入纤效率达 78%。中科院上海光机所提供的二向色镜D1作为左腔镜（AR@975 nm T>97% & HR@1 080 nm R>99%），与双包层光纤右端面构成激光腔。通过 45°角二向色镜 D2（HR@975 nm R>97% & HT@1 080 nm T>85%）获得激光输出。掺Yb3+双包层光纤由美国 Nufern公司提供，纤芯直径 20 µm，内包层直径 400 µm，纤芯和内包层数值孔径分别为 0.06和0.46，内包层对波长 975 nm 的泵浦光吸收系数为    2.0 dB/m，泵浦光和激光的散射损耗系数分别为     13 dB/km和 22 dB/km，光纤长度 15 m。光纤的两端面均被垂直抛光。 当泵浦光的入纤功率为 1.0 W时，开始有激光输出，说明此时已达到激光器阈值。继续加大泵浦光功率，可测得不同泵浦功率下的激光输出功率。当泵浦光的入纤功率为 116 W时，获得 88 W的 1 082.4 nm激光输出。 图 3 为掺 Yb3+双包层光纤激光器的输入输出关系曲线，其中实线代表了由解析解公式（17）获得的输入输出曲线，黑点为实验数据。从图中可得，激光器斜效率为 84.4%，实验数据与简化型解析解求得的结果基本一致，两者相对误差小于 4％。  增刊                             戴贤哲等：掺Yb3+双包层光纤激光器的理论及实验研究                            35   图 3  激光输出功率与泵浦功率的曲线 Fig.3  Laser output power vs. pump power 图 4 为掺 Yb3+双包层光纤激光器在输出功率约为 88 W时的输出光谱。激光中心波长为 1 082.4 nm，谱线宽度约 7 nm。激光为多纵模输出主要源于我们采用的双向色镜 D1在 1 080 nm 附近的反射带宽较大，而且 Yb3+的发射谱特性也起到了一定的影响。  图 4  输出激光的光谱图 Fig.4  Spectrum of output laser  3  结  论  对单端泵浦掺 Yb3+双包层光纤激光器，在稳态条件下，基于速率方程推导了掺 Yb3+双包层光纤激光器在强泵浦条件下的简化型解析解。与直接对速率方程进行求解相比较，简化型解析解更加简单、方便。实验上，利用 975 nm半导体激光二极管作为泵浦源，当入纤泵浦功率 116 W时，获得 88 W波长为 1 082.4 nm 的连续激光输出，斜效率高达  84.4％。实验结果与解析解相比较，两者基本一致。  参考文献：  [1] JEONG Y,SAHU J K,PAYNE D N,et al.Ytterbium-doped large-core fiber laser with 1.36 kW continuous-wave output power[J].Optics Express, 2004,12(25):6088-6092. [2] GAPONSTEV D.Quasi-single-mode fiber laser nears 2-kW output with high-quality beam[J].Laser Focus World, 2005, 41(6):9. [3] www. globalexecutiveforum. net/ more_photonics_News. Htm. [4] ZHOU Jun, LOU Qi-hong, ZHU Jiang-qiang, et al. A continuous-wave 714W fiber laser with china-made large-mode-area double-clad fiber[J]. Acta Optica Sinica,2006,26(7):1119-1120. [5] LI Cheng, YAN Ping, CHEN Gang, et al. An output power over 700 W fiber laser with china-made large-mode-area double-clad fiber[J]. Chinese J Laser,2006,33:738. [6] KELSON I, HARDY A A.Strongly pumped fiber lasers[J].IEEE J Quantum Electron.1998,34(9):1570-1577. [7] KELSON I, HARDY A A.Optimization of strongly pumped fiber lasers[J]. Lightwave Technol.1999,17(5):891-898. [8] XIAO Li-min, YAN Ping, Guo Ma-li,et al.An approximate analytic solution of strongly pumped Yb-doped double-clad fiber lasers without neglecting the scattering loss[J].Opt.commun.2004,230(2):401-410. [9] KIM N S, HAMADA T, PRABHU M,et al. Numerical analysis and experimental results of output performance for Nd-doped double-clad fiber lasers[J].Opt. commun.2000,180(2):329-337. 

掺Yb~(3+)双包层光纤激光器的理论及实验研究

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