掺Yb3+微结构光纤激光器研究

闫培光，阮双琛，郭春雨  深圳大学工程技术学院

摘要：   
    实验研究了大功率掺Yb3+微结构光纤激光器．采用多模大功率半导体激光器分别泵浦两段不同的掺Yb3+双包层微结构光纤，获得了最大输出功率为26 W的激光。实验中使用的泵源为德国Limo公司生产，其中心波长位于974 nm，最大输出功率为70 W。光纤激光器的谐振腔为典型的F-P腔结构，分别采用二色镜和光纤端面作为前腔镜和后腔镜。两段掺Yb3+双包层微结构光纤由Crystal Fiber A/S公司生产，型号分别为DC-150-28-Yb和DC-200-4-Yb。其中，DC-150-28-Yb型微结构光纤的内包层直径为150 mm，纤芯的直径为28 mm， 长度为2.4 m，在最大泵浦光功率下获得了输出功率为21 W，中心波长为1044 nm的激光输出；DC-200-4-Yb型微结构光纤的内包层直径为200 mm，纤芯直径为4 mm，长度为20 m，在最大泵浦光功率下获得了输出功率为26 W，中心波长为1091.5 nm的激光输出。
关键词：微结构光纤; 光纤激光器; 大模面积; 掺Yb3+; 双包层光纤
中图分类号：TN248.1;TN253  文献标识码：A
    掺稀土双包层微结构光纤（MF）激光器是近几年来激光领域的一个研究热点[1-10]。与传统采用聚合物外包层的双包层光纤相比，微结构光纤由于采用空气玻璃结构，具有更大的内包层数值孔径和较好的泵浦模式混合，并在保证激光在纤芯内单模传输的前提下具有更大的模场面积[11-12]，因此能够降低双包层光纤激光器在高功率运转状态时非线性效应, 以及热效应造成的材料破坏，为制造更高功率的激光器提供了潜力。短短几年内，其输出功率也从最初mW量级[1]达到现在kW量级[13] ；尤其在2005年，微结构光纤激光器的输出功率获得了实质的突破，标志着微结构光纤已经达到并正在超越双包层光纤激光器的水平。国内对双包层微结构光纤激光器的研究还处于起步阶段，深圳大学、南开大学和西安光机所等单位相继开展了微结构光纤激光器的研究。2004年，深圳大学曾报导了输出功率为15W掺Yb3+微结构光纤激光器。
    本文通过实验详细研究了大功率掺Yb3+微结构光纤激光器。采用多模大功率半导体激光器分别泵浦两段不同掺Yb3+双包层微结构光纤（型号分别为DC-150-28-Yb和DC-200-4-Yb），使用DC-150-28-Yb获得最大21 W的激光输出，中心波长位于1044 nm，激光器的光-光转换效率为34%；利用DC-200-4-Yb获得了最大26W的激光功率输出,中心波长位于1091.5 nm，光-光转换效率为42%。文中还针对实验中微结构光纤激光器在大功率半导体激光器泵浦时存在的相关问题进行了分析。

1.实验装置
    实验装置如图1（a）所示，泵浦源为德国Limo公司生产的大功率半导体激光器，其最大输出功率为70 W，泵浦激光的中心波长为974 nm，光斑为400 mm。光纤激光器的谐振腔为典型的F-P腔结构，分别采用二色镜和光纤端面作为前腔镜和后腔镜。二色镜对976 nm的光透射率为93%，对1040 nm~1100nm的光反射率超过96%;光纤的后端面垂直切割作为后腔镜。两种微结构光纤均为Crystal Fiber A/S公司生产，一种光纤的型号为DC-150-28-Yb，端面结构如图1(b)所示。纤芯是通过缺失三个空气孔形成的三角形大模面积结构,直径为28mm,内包层直径为150 mm， 内包层的数值孔径高达0.55，长度为2.4 m。另外一种为微结构光纤的型号为DC-200-4-Yb，端面结构如图1（c）所示，纤芯的直径为4mm，内包层为200mm，内包层的数值孔径高达0.6。

                                         图1（a） 实验装置

                                 图1（b） DC-150-28-Yb的端面

                      图1（c） DC-200-4-Yb的端面

2.实验结果与讨论
2.1 实验1
    实验首先利用DC-150-28-Yb构造成光纤激光器。该光纤激光器的功率特性曲线如图2所示，其中横坐标为LD的泵浦电流，纵坐标为微结构光纤激光器的输出功率。在泵浦电流为5A时光纤激光器达到阈值。在泵浦电流为30 A时（对应泵浦功率为62 W），获得激光的最大输出功率为21 W，对应光－光转换效率为~34%。图3所示为激光输出光谱图,从光谱图上没有发现剩余泵光,说明光纤的吸收足够充分,泵光被有效转化成激光;测量得到光谱的中心波长位于1044 nm。

                图2 DC-150-28-Yb光纤激光器的特性曲线

                   图3  DC-150-28-Yb光纤激光器的输出光谱图
2.2 实验2
    利用光纤DC-200-4-Yb构建光纤激光器，测量其功率特性和光谱特性。图4所示为光纤激光器的功率特性曲线，当泵浦电流为4 A时，光纤激光器达到激发阈值；当泵浦电流为30A时，实现激光最大输出功率为26W，对应光－光转换效率为42%。图5所示为激光器的激光光谱图，从光谱图上没有发现剩余泵光，说明泵光充分转化成激光;光 谱中心波长位于1090.5 nm。

                    图4  DC-200-4-Yb光纤激光器的特性曲线

                             图5  DC-200-4-Yb光纤激光器的光谱
    在泵浦电流超过30 A后，实验发现激光输出功率的增长放缓，分析认为这是由二色镜引起的。因为实验中要求二色镜紧贴在光纤的前端面上，而光纤的前端面位于透镜系统的焦点附近，由于泵浦源的功率很大，当聚焦到直径为200 mm的光斑后，功率密度非常大。在大功率泵浦下，二色镜的镀膜造成损伤，使得激光器的输出功率的增长突然降低。另外从实验结果看，总的光光转换的效率偏低，这主要是由于实验所采用的耦合系统没有经过精密的光学设计，导致耦合效率较低，从而影响了总的转换效率；同时二色镜对转换效率的影响也是十分重要的，所使用的二色镜没有针对高功率专门进行设计，在高功率泵浦的情况下，二色镜会出现损伤，此外二色镜对激光中心波长的光反射率为96％，没有达到99％以上，一定的程度上影响了激光器的光光转换效率。

结语
    实验分别使用了两种微结构光纤作增益介质，对大功率Yb3+微结构光纤激光器进行了研究。使用DC-150-28-Yb获得最大21 W的激光输出，中心波长位于1044 nm，激光器的光-光转换效率为20%；使用DC-200-4-Yb获得了最大26 W的激光功率输出，中心波长位于1091.5 nm，光-光转换效率为34.3%。实验中还针对微结构光纤激光器的功率特性和光-光转换效率进行了分析，认为激光器的耦合系统和二色镜对微结构光纤激光器的性能具有重要的影响。

参考文献
[1] Wadsworth W J. Yb3+-doped photonic crystal fibre laser[J]. Electron Lett, 2000, 36(17): 1452-1454.
[2] Sahu J K, Renaud C C, Furusawa K. Jacketed air-clad cladding pumped ytterbium doped fibre laser with wide tuning range[J]. Electronics Letters, 2001, 37(18): 1160-1161.
[3] Furusawa K, Monro T M, Petropoulos P. Mode locked laser based on ytterbium doped holey fiber[J]. Electronics Letters, 2001, 37(9): 560-561.
[4] Furusawa K, Malinowski A, Price K H V. Cladding pumped Ytterbium-doped fiber laser with holey inner and outer cladding[J]. Optics Express, 2001, 9(13): 714-720.
[5] Wadsworth W J, Rercival R M, Bouwmans G. High power air-clad photonic crystal fibre laser[J]. Optics Express, 2003, 11(1): 48-53
[6] Limpert J, Schreiber T, Nolter S. High-power air-clad large-mode-area photonic crystal fibre laser[J]. Optics Express, 2003, 11(7): 818-823
[7] Limpert J, Schreiber T, Liem A, Nolte S. Thermooptical properties of air-clad photonic crystal fiber lasers in high power operation[J]. Optics Express, 2003, 11(22): 2982-2990.
[8] Larsen J J, Vienne G. Side pumping of double-clad photonic crystal fibers[J]. Optics Lett, 2004, 29(5): 436-438.
[9] Limpert J, Deguil-Robin N, Manek-H�nninger I, et al. High-power rod-type photonic crystal fiber laser[J]. Optics Express, 2005, 13(4): 1055-1058.
[10] Hansen K P, Limpert J. High-power photonic crystal fiber lasers: Design, handling and Subassemblies[J]. Denmark: Crstal fibre A/S, (2005) [2006-4-30], http://www.crystal-fibre.com/products/subassemblies.shtm.
[11] Knight J C, Birks T A, Cregan R F. Large Mode Area Photonic Crystal Fibre[J]. Electronics Letters, 1998, 34(13): 1347-1348.
[12] Baggett J C, Monro T M, Furusawa K. Comparative study of large-mode holey and conventional fibers[J]. Optics Lett, 2001, 26(14): 1045-1047.
[13] Kristiansen R E, Hansen K P, Broeng J. Microstructured fibers and their applications[R]. OPTOEL?5 CI-5:37-49.(2005) [2006-4-30], http://www.crystal-fibre.com/publications/invited_conference_papers.shtm