Single Frequency Fiber Lasers

Single Frequency Fiber Lasers
Brillouin Single Frequency Fiber Laser Single Frequency Fiber Laser Module   Single Frequency Fiber Laser Source

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
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Toptica 打造超快掺铒光纤激光器系统

 

锁模飞秒激光器日前已经广泛应用于科研领域和工业领域。通过发布最新型的Femtofiber系列（FFS），TOPTICA Photonics公司将传统Ti:Sapphire震荡器的优点与全光纤激光器的可靠性结合在一块，即将一个泵浦激光器光源，一个锁模环状震荡器，两个并行放大器以及光脉冲集中在一个单一模块内，为用户提供最大的便利和弹性空间。     伴随着TOPTICA新型锁模掺铒光纤激光系统FFS系列的发布，切边（cutting-edge）飞秒技术将作为一标准工具应用到各种研究领域，这对切边飞秒技术而言是具有历史意义的一步。基于光纤激光器的直接泵浦以及那些可靠的光纤集成元件，FFS可传送180mW的线性偏振和高可靠性输出功率，子脉冲100fs。该激光器可发射1550nm的波长。

Highwave推出新型脉冲式光纤激光器

	致力于为电信、光纤激光器、光纤传感和防御市场提供领先有源光器件和子系统的供应商――Highwave光技术公司日前宣布推出新型工业应用高功率脉冲光纤激光器产品线。 　　Highwave表示这是他们经过几年艰苦努力才研制出来的，新型脉冲激光器的发射光谱在1.06μm附近 。 　　除了它的连续光纤激光器家族（1到20瓦，2 x 2，5 W PM光纤），Highwave现在已经可以向市场提供其第一个脉冲式激光器。每个脉冲的能量为0.5mJ，重复频率介于20－100kHz之间，脉冲宽度小于100ns，峰值功率达到数千瓦，并且光束特性接近理论衍射极限，其峰值功率密度完全可以和传统YAG激光器相媲美。除此之外，这些光纤激光器还在诸多指标上拥有领先性能，如光机械稳定性，维护和成本方面。

http://www.ivgfiber.com/fibers.htm

Low-birefringence fibers Low-birefringence optical fiber (also known as spun fiber) can transmit polarized light over large distances with minimum error. Unlike regular PM fibers it relays both linear and circular polarization and does not require axial alignment of the fiber when splicing or connectorizing. Spun fiber structure is designed to spread non-uniformities in silica along all possible directions, effectively cancelling out total fiber birefringence. More information on spun optical fibers   Datasheets Spun optical fiber LB650 | LB1300 | LB1500 | LBE1300 | LBS1300

Metallized fibers We now offer single-mode and multimode mode fibers with high temperature aluminum or copper alloy coatings. Thin layer of metal provides mechanical strength and eliminates outgassing, at the same time increasing temperature range and heat conductivity of the fiber. Surprisingly cost-effective compared to their gold-coated counterparts, the fibers can withstand temperatures up to 600° C or even higher, depending on heating pattern and atmosphere composition. More information on metal-coated optical fibers   Datasheets Copper alloy coated single-mode Cu800 | Cu1300 | Cu1300-200 Copper alloy coated multimode Cu50-125 | Cu50-200 | Cu200 | Cu400 Aluminum coated single-mode AL1300

Elliptical-core PM fibers Our elliptical-core fiber provides high polarization extinction and insensitivity to bending and twisting. Unlike conventional PM fibers, birefringence of the elliptical-core waveguide has low thermal dependence (more than 10 times lower than Panda).   Datasheets Elliptical-core PM fiber PME1300-5 | PME1300-30 | MME6040

单偏振态特殊光纤

康宁开始供应单偏振态特殊光纤

纽约康宁, 2005年1月21日 -- 美国康宁公司(纽约证券交易所:GLW)康宁公司(NYSE:GLW)宣布开始供应在1310纳米和1550纳米应用波长优化的单偏振态光纤。 这一新加入康宁特殊光纤广泛产品组合的光纤被设计用于下一代高功率光纤激光器。 这类光纤也可应用于光纤光学陀螺仪, 电流传感器以及超辐射发光光源。

康宁专利的单偏振态光纤是以康宁专有的外气相沉积工艺生产, 具有 高偏振消光 比和卓越带宽。

康宁特殊光纤产品经理James Haberstroh说："光纤激光器是应用于航天和国防事业的一项重要的并正在不断发展的技术, 就如同高功率激光器应用于一些商业市场领域。 单偏振态光纤, 和我们的全玻璃双包层特殊光纤一样, 是下一代激光器不断研发过程中重要的元件。我们很高兴康宁成为这一能帮助我们客户成功的创新工艺的一部分。"

康宁光子材料业务的商务经理James Hollis则进一步表示: "我们继续着重于扩充应用于电信及非电信的产品组合。 在特殊光纤领域强劲的产品研发仍将是我们今后业务的重点。 另外, 在2005年我们对于生化, 传感器以及其它市场的投入将大幅增加。"

单偏振态光纤是康宁技术研发在特殊光纤产品组合不断扩展的一份子。 该产品组合中包括应用于通信及非通信领域的保偏光纤, 高折射光纤, 掺铒光纤, 小包层光纤和双包层光纤。

关于康宁公司 Corning Incorporated
康宁公司, Corning Incorporated (www.corning.com) 是一家多元化的高科技跨国企业, 致力于对全球科技具有重要影响力的新兴领域。 康宁以其在特殊玻璃、 陶瓷材料 、 聚合物和应用光学等方面的专业技术, 及其强大的的制造工艺与制造产能, 一直在从事开发、设计和销售用于通讯 、平板显示、环境 、半导体以及生命科学领域的重要创新产品。

预测性与警示性声明

此新闻稿内含预测性陈述，其中涉及种种商业风险与其它不确定因素，可能与实际结果有实质的差异。风险和不确定因素包括： 全球政经局势产生变化或动荡不安的可能性，进口税与货币汇率，产品需求和业界产能，竞争性产品与订价，生产效率，成本降低， 供货情形和关键零组件与原料，新产品开发与商品化，订货情形与主要客户的需求，液晶显示器产业与其它产业的主要客户的资金运用， 高价值与非高价值产品的混合销售，工厂扩充与新厂房动工支出， 恐怖活动，武装冲突，政局不稳定或重要健康因素可能造成的商业活动中断， 在符合企业营运的原则下取得资金与资本的能力，保险的适当性与可利用性，资金来源和现金流量活动，资金开销，抵押资产的公司活动，利息支出， 收购或出售活动，过多或过时库存量，技术变动率，专利权的执行能力， 产品与零组件的性能问题，关键人员的变动，股价波动， 以及不利的诉讼或法规发展。 Corning 已将以上及其它风险因素呈报美国证管会 (Securities and Exchange Commission)。预测性陈述仅表达新闻资料发表当日的事实， 未来若有任何新资讯或事件发生， Corning无任何义务修正此份陈述。

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特种光纤

Telecommunications

BBF	Broadband filters
LDS	Laser Diode Stabilizers
GFF	Gain Flattening Filters
PREF	MCVD Preforms
CUST	Custom fibers
PMG	PM fibers for gyroscope
2CF	Double clad fibers
PHO	Photosensitive fibers
EDF	Erbium doped Fibers

Sensors

FPF	FP filters
SEN	Sensor FBG
BBF	Broadband filters
PREF	MCVD Preforms
CUST	Custom fibers
PMG	PM fibers for gyroscope
PHO	Photosensitive fibers

Lasers

MIR	FBG Mirrors
LDS	Laser Diode Stabilizers
PREF	MCVD Preforms
CUST	Custom fibers

英国Oxford Electronics公司特种光纤产品

OxfordElectronics采用专利的铜合金（CuBALL）涂覆技术制作各种抗高温光纤，适合于高温环境的光纤传感（例如油井等），恶劣的应用场合等等。CuBALL系列光纤的工作温度范围达到在-270℃度到+700℃，长期工作在500℃以上，低温工作接近于绝对零度，大大扩展了光纤的应用领域，CuBALL技术适合于各种光纤例如：
　　
　　 HPSUV系列大芯径纯二氧化硅纤芯紫外到可见（180nm-1200nm）高功率传输光纤，光纤芯径从100um到2000um可以提供，纤芯采用纯二氧化硅制作，包层为掺氟化物的二氧化硅。该光纤不但具有高功率承受能力，低损耗，具有出色的抗辐射性能。
　　
　　 HPSIR系列大芯径纯二氧化硅纤芯可见到红外（500nm-2600nm）高功率传输光纤，光纤芯径从100um到2000um可以提供，纤芯采用纯
　　
　　 二氧化硅制作，包层为掺氟化物的二氧化硅。该光纤不但具有高功率承受能力，低损耗，具有出色的抗辐射性能。
　　
　　 GI50-125（200）CB折射率渐变型多模光纤用于高温工作领域的长距离信号传输，其中GI50-200CB采用独特的200um包层设计，大大降低了光纤的传输损耗，可以使用长度超过10公里。
　　
　　 纯二氧化硅纤芯单模光纤，具有最好的抗辐射性能，适合于各种特种应用的场合，例如太空，军事等领域等，CuBALL系列单模
　　
　　 光纤进一步改善了光纤的温度工作范围，让这种高性能的单模光纤能够理想地工作在异常恶劣的环境中。
　　
　　 特种单模光纤：
　　
　　 OxfordElectronics的特种单模光纤包括低双折射光纤，纯二氧化硅纤芯的单模光纤，偏振保持光纤等等。
　　
　　 硫化物中红外特种光纤
　　
　　 随着中红外波长的激光在军事方面应用的不断完善，高性能的中红外光纤有了更多的需求，OxfordElectronics硫化物玻璃光纤具有出色的传输性能，而且容易处理，可以提供各种用于光纤连接的连接器。
　　
　　来源：南方电缆网 作者：五木辑

光纤激光器的现况与新进展

光纤激光器近年来成为固体激光器发展的热点，大部分工作集中在提高激光器的输出功率上。在过去两三年中，连续输出的光纤激光器输出功率从百瓦级上升到千瓦级，脉冲工作的激光器其平均功率达到百瓦以上。本文第一部分重点介绍高功率光纤激光器的近况；第二部分介绍光纤激光器在其它几方面的发展，例如超短脉冲光纤激光器、拉曼光纤激光器、上转换光纤激光器以及短尺寸光纤激光器；最后，就光纤激光器的发展给出一些分析。

一、大模场双包层光纤激光器

2000年前，双包层光纤激光器输出在百瓦量级，为了保证单模输出，产生激光的光纤纤芯直径在10微米量级。一般而言，对于阶跃式折射率分布的光纤，获得单模输出的条件为：

这里数值孔径，而ncore和ncladding分别为纤芯和包层的折射指数，a为纤芯半径，λ为激光波长。一般而言，当λ≈1，NA=0.06时，α<6微米。

另一方面，作为光纤纤芯材料的石英，对激光有一个破坏阈值1~1.5W/μm2，当纤芯直径为12μm时，能承受的功率为113～170W。因此，对于单模纤芯的光纤输出功率限制在百瓦级，双包层光纤激光器的输出功率在2002年以后，单根光纤的输出功率急剧上升到千瓦级，它的成功取决于二个方面的发展：一是具有良好光束质量的二极管泵浦源日益成熟，二是采用了大模场双包层光纤。

大模场(Large Mode
Area-LMA)光纤是增大光纤纤芯的直径来提高单根光纤输出功率的水平。如果纤芯半径从6微米增大到15微米，光纤截面积可增加6.25倍，可承受的功率即可达到千瓦级，这一估计很快得到了实验证实(见图1)。限制单根光纤输出功率的因素除了材料破坏以外，非线性效应也是一个重要因素。受激拉曼散射(SRS)作为一种非线性效应会将激光波长转换成波长较长的斯托克斯光和波长较短的反斯托克斯光，从而限制激光功率的提高。

众所周知，非线性效应有一个阈值，对于光纤激光的基模，它的阈值功率可表达为：

式中，gR为光纤材料中的拉曼增益系数，Amode为激光在光纤中传播的模面积，Leff
是激光在光纤中传播的有效信号传播长度。当光纤作为放大介质处理时，Leff 与光纤实际长度L是有差别的：
式中g为放大增益常数(假设增益均匀分布)

这里G为总增益，L为实际光纤长度。例如：当纤芯直径为30μm，L为30m，G=30dB，实验观察到模场直径为24μm,Amode=452μm2，Pth=314KW。当采用直径为12μm纤芯的光纤时，模场直径为6.2μm，Amode=32μm2，对应的Pth=21KW。因此采用大模场光纤，使受激拉曼阈值提高了一个数量级以上。

大模场光纤可以提高单根光纤的输出功率，但也带来多模场振荡的问题。双包层光纤具有N个有限的传输模式：

给出随V增加模式出现的次序和总传导模数N的变化。当V<2.4048时，总的传导模数N为2，只有基模可传播（二重简并）。随着V值增大，总的传导模数N亦迅速增大。例如当α=15μm时，V=5.625，N=20。

总传播模数N与V的关系

V值范围 总传导模数N 模式出现次序
0～2.4048 2 HE11
2.4048～3.8317 6 TE01,TM01,HE21
3.8317~5.1356 12 HE12, EH11,HE31
5.1356~5.5201 16 EH21, HE41
5.5201~6.3802 20 TE02,TM02, HE22
6.3802~7.0156 24 EH31, HE51
7.0156~7.5883 30 HE13,EH12,HE32
7.5883~8.4172 34 EH41,HE51

大模场光纤的多模输出是不希望出现的，为了克服这一问题，为此人们在光纤结构设计及光纤排布上进行了深入的研究，目的是改变不同的模式的传输特性。使基模传输损耗尽量小而其它高阶模的损耗增大。一种比较简单的方式是将光纤绕成"线圈"状，计算表明，当"线圈"直径为30cm时，各种低阶传导模的损耗均小于0.1dB/m，当"线圈"直径为15cm时，只有少数几个传导模具有较小的损耗，只有基模具有低损耗的条件要求"线圈"直径小于10cm。要满足这一条件，在实验上会有一定困难，因为大模场光纤弯曲特性比细纤芯光纤差，如处理不当，很容易发生断裂现象。尽管如此，大模场光纤基模输出数百瓦已有实验报导。

二、特种光纤激光器

1. 脉冲光纤激光器

对于连续工作的光纤激光器，光纤本身就是工作物质，一般采用结构简单的F-P腔结构，这样无需在腔内放置其它光学元件就可以获得高功率的激光输出。但如果从应用目标出发时，连续工作的光纤激光能提供的靶面功率密度较低，脉冲工作的光纤激光或许更为有用。

脉冲双包层光纤激光器是一种新型激光器，和普通的固体激光器相比，双包层光纤激光器具有很高的"表面积/体积"比，散热效果好，具有很高的转换效率和很低的阈值。双包层结构使泵浦光有较大的可入射面积，当光沿纤芯传播时，泵浦掺杂纤芯将产生亮度很高，而且光束质量接近衍射极限的激光输出。双包层光纤激光器在产生高平均功率脉冲激光方面具有相当大的潜力，它们可以成为替代某些调Q或锁模激光器的另一种高效多用途激光器。

在所有的掺杂光纤中，掺Yb光纤的优点最为突出，掺Yb石英材料具有优良的储能性能(32J/cm2的饱和能量，870us上能级寿命)，很宽的增益谱(975nm~1200nm)，在LD的泵浦下，掺Yb光纤可以产生激光，还可以用来放大激光脉冲以提供高功率脉冲。脉冲双包层光纤激光器在通讯、医学、工业加工、生物学等领域有很大的应用价值。

脉冲双包层光纤激光器有调Q双包层光纤激光器、锁模双包层光纤激光器和种子源主振荡放大光纤激光器三种，其中调Q双包层光纤激光器主要采用在连续双包层光纤激光器内加声光或电光调Q晶体实现，与常规调Q光纤激光器相比，可将峰值功率提高一个数量级，不过脉冲能量和平均功率普遍较小，而且，脉冲能量受光纤端面阈值的限制，锁模光纤激光器主要是采用光栅和偏振控制器实现被动锁模，应用于通讯领域，而且脉宽相对稳定，平均功率较低。种子源振荡放大光纤激光器主要是把种子光源耦合进入双包层光纤的纤芯，在光纤同端或异端以大功率LD泵浦，就能得到的单脉冲能量较高，平均输出功率较大，脉宽调谐范围广，光束质量好的激光光束。随着研制方案的进一步优化，有可能实现更大单脉冲能量和更高光束质量的脉冲输出，是一种比较理想的脉冲输出激光器，能广泛应用在激光精密打孔、打标、金属切割和深度焊接及国防军事领域。

近几年来，脉冲双包层光纤激光器成为国际上研究的热点，在此方面的研究上比较著名的主要有英国的Southampton大学光电研究中心、德国Jena研究所、法国的以A.Hideur为首的研究组和美国的IPG公司等。在2000年，英国Southampton光电研究中心的J.A.Alvarez-Chavez采用在包层泵浦双包层光纤激光器中加入声光调制器来获得5W平均功率的调Q脉冲输出。2001年，德国Jena的S.Hofer以单频环形盘片激光器作为种子光源，通过掺Yb双包层光纤进行放大，得到20W平均功率输出，光束质量接近衍射极限。随后，J.Limpert同样采用种子光振荡放大，用两个LD在掺Yb大芯径双包层光纤双端泵浦，种子光源为皮秒Nd:YVO激光器，得到51.2W的放大输出，重复频率为80MHz。2002年，J.Limpert采用纳秒调Q
Nd:YAG种子源，25m长的大模面积光纤，种子光和泵浦光分别在光纤两端进入，放大光用双色片分出，得到100W平均功率(重复频率为50KHz)的衍射极限光束质量的放大输出。2003年9月，A.Liem采用单频1064nm微片激光器作为种子源，得到108W单频放大输出，光束质量M2为1.1。

在国内，脉冲双包层光纤激光器的研究刚刚起步，南开大学主要进行调Q和锁模激光器的研究，但平均功率都比较小，上海光究所在中科院知识创新工程、国家自然科学院基金和上海市光科技项目的资助下，已开展了脉冲双包层光纤激光器的研究，采用种子光源主振荡放大方案来获得高功率脉冲激光输出，目的是开拓脉冲双包层光纤激光器在激光打标、激光加工和军事上的应用。该项目组采用纳秒级高重复频率(20KHz~1000KHz可调)激光器作为种子源，在光纤另一端采用975nm高功率LD泵浦，在2003年10月获得6W1064nm放大激光输出，在2004年10月获得20W放大激光输出。和武汉烽火通讯科技公司合作拉制掺Yb大芯径高掺杂浓度双包层光纤，实现了双包层光纤的国产化。采用4m国产化双包层光纤作为放大器，解决了种子光注入和泵浦光耦合等问题，通过上海计量测试研究院袁海林高工主持的现场测试，实现了133.8W平均功率的脉冲激光输出。经中科院上海科技查询咨询中心水平检索，达到世界领先水平。

2.飞秒光纤激光器

光纤的色散特性可以用于啁啾脉冲放大，光脉冲经过色散放大随后进行脉冲压缩产生十分高的峰值功率。光纤振荡器可以研制成十分紧凑的结构，掺Yb光纤具有很宽的增益带宽从而产生锁模脉冲，振荡器产生的短脉冲光束可以经过光纤放大提高输出功率。

具有高重复率的飞秒脉冲的重要应用包括生物成像、微细加工和光通讯。在自锁模情况下，由于重复率反比于腔长，对于较长的光纤长度这种方法并不理想。主动锁模产生的脉冲宽度一般在皮秒量级，为了产生飞秒脉冲大部分研究工作集中在被动锁模技术上，采用半导体饱和吸收体可以获得重复率为605MHz，脉冲宽度为380fs的脉冲输出。

3.拉曼光纤激光器

受激拉曼散射可以改变激光的波长，掺Yb双包层光纤激光器（波长为1100nm）耦合到单模光纤中，如果光纤两端安装有对应于拉曼频移后的波长的布拉格光纤光栅，就可以获得不同斯托克斯或反斯托克斯的拉曼光纤激光输出。

另一种方法是将单模光纤用作拉曼光纤放大器，它可以实现1.2μm~1.6μm波段的宽带放大。对于密集波分复用(DWDM)超长距离光传输的应用具有重要的意义。随着信息产业的发展，为了满足超高速、超大容量的通信要求，实现1.2μm~1.6μm波段超带宽通信需要使用光纤拉曼放大器。

对于二氧化硅(石英)光纤，斯托克斯拉曼位移量为4.4×103m-1，在波长1μm处激光拉曼增益系数为1×10-9m-1W-1。使用长度为1Km的光纤，当泵浦功率大于1瓦，拉曼激光增益可达到20dB以上。

在光通信中，掺铒光纤放大器（EDFA）已经获得应用，但存在能量转换效率低，输出信号功率不高等缺陷。光纤拉曼放大器有三个突出的特点。一是增益波长由泵浦光波长决定，只要泵浦源的波长适当，理论上可以获得任意波长的信号放大；二是增益介质为传输光纤本身，无需另外加入掺杂的光纤；三是噪声低。它可以使光信号进行在线放大，光纤中各处的信号光功率都比较小，降低了非线性效应，例如四波混频效应的干扰。在实际使用中，把拉曼光纤放大器与掺铒光纤放大器混和使用可大大降低系统的噪声指数，增加传输跨距。

4.上转换光纤激光器

利用波长较长的激光泵浦，实现波长较短的激光输出称为上转换激光器。当光纤中一般掺杂两种离子，一种为激光离子，另一种起敏化作用，它可以获得紫外至近红外波段激光。例如用852nm半导体激光泵浦Er/Yb共掺光纤可获得波长为635nm的红光。当泵浦光为红光时，可获得492nm蓝光输出。
当光纤中仅掺杂一种离子时，通过多光子吸收可实现上转换，例如，用971nm光泵浦掺铒光纤，可获得544nm激光输出，用1.06μm激光泵浦掺铒光纤，可获得480nm蓝光输出。由于整个过程依赖于多光子过程，转换效率一般不太高。

5.短尺寸光纤激光器

相对于大部分长度以米计的光纤激光器，长度为厘米量级的光纤激光器也有它的特殊应用，例如它可以当需要单频输出或者列阵组合的应用。

短尺寸光纤激光器腔长只有几厘米，很容易获得单模、单频输出。要将光纤长度缩短，主要要提高掺杂浓度，使泵浦光在很短的距离内能充分吸收且获得足够的增益。由于此时激活介质的直径很小，因此激活体积十分小，对于10厘米光纤，通常只有0.01mm3。相对于石英而言，玻璃可以掺杂更高的浓度，利用一根7厘米的玻璃光纤，纤芯用Er/Yb共掺，当泵浦功率为30W时，最高可获得近10瓦连续输出，每厘米长度可产生1.3W功率，但此时又遇到了冷却问题。如果不处理好冷却问题，很难在实际中获得应用。

砷化镓半导体激光器(GaAs)

半导体激光器原理
2006年5月6日 14:55 来源：科学探索

光电子学的飞速发展主要是建立在量子力学和材料科学的发展上的，其中尤其瞩目的就是光电子半导体的发展。LED，
LD这些神气的电子器件便是这一发展的结果，尤其是近期有机光电材料的发展，更加是极大的推动着光电材料的进步。

首先半导体为什么会发光？

当电子从上面导带跳下来进入价带的时候，损失了一定的能量，这些能量就变成了光子发射出来，通俗的说就是发光了。呵呵：）

半导体激光器是以直接带隙半导体材料构成的PN 结或PIN
结为工作物质的一种小型化激光器.半导体激光工作物质有几十种，目前已制成激光器的半导体材料有砷化稼(GaAs
)、砷化锢(InAs)、氮化镓（GaN)、锑化锢( InSb)、硫化锅( cds )、蹄化福(CdTe
)、硒化铅(PbSe)、啼化铅(PhTe )、铝稼砷(A1xGa,-,As)、锢磷砷(In-PxAS)等.

半导体激光器的激励方式主要有三种，即电注人式、光泵式和高能电子束激励式. 绝大多数半导体激光器的激励方式是电注人，即给Pn
结加正向电压，以使在结平面区域产生受激发射，也就是说是个正向偏置的二极管，因此半导体激光器又称为半导体激光二极管.对半导体来说，由于电子是在各能带之间进行跃迁，而不是在分立的能级之间跃迁，所以跃迁能量不是个确定值，这使得半导体激光器的输出波长展布在一个很宽的范围上.它们所发出的波长在0.3
-34um 之间.其波长范围决定于所用材料的能带间隙，最常见的是AlGaA:双异质结激光器，其输出波长为750 - 890nm.
世界上第一只半导体激光器是1962
年问世的，经过几十年来的研究，半导体激光器得到了惊人的发展，它的波长从红外、红光到蓝绿光，被盖范围逐渐扩大，各项性能参数也有了很大的提高，其制作技术经历了由扩散法到液相外延法(LPE)，气相外延法(VPE)，分子束外延法(MBE),MOCVD
方法(金属有机化合物汽相淀积)，化学束外延(CBE)以及它们的各种结合型等多种工艺.其激射闭值电流由几百mA
降到几十mA，直到亚mA，其寿命由几百到几万小时，乃至百万小时从最初的低温(77K)下运转发展到在常温下连续工作，输出功率由几毫瓦提高到千瓦级(阵列器件)它具有效率高、体积小、重量轻、结构简单、能将电能直接转换为激光能、功率转换效率高(已达10%以上、最大可达50%).便于直接调制、省电等优点，因此应用领域日益扩大.目前，固定波长半导体激光器的使用数量居所有激光器之首，某些重要的应用领域过去常用的其他激光器，已逐渐为半导体激光器所取代.

半导体激光器最大的缺点是:激光性能受温度影响大，光束的发散角较大(一般在几度到20度之间)，所以在方向性、单色性和相干性等方面较差.但随着科学技术的迅速发展，半导体激光器的研究正向纵深方向推进，半导体激光器的性能在不断地提高.目前半导体激光器的功率可以达到很高的水平，而且光束质量也有了很大的提高.以半导体激光器为核心的半导体光电子技术在21
世纪的信息社会中将取得更大的进展，发挥更大的作用. 主要半导体激光器的工作原理、发展历史和应用前景作一简略的介绍.

半导体激光器原理

半导体激光器原理
2006年5月6日 14:55 来源：科学探索

光电子学的飞速发展主要是建立在量子力学和材料科学的发展上的，其中尤其瞩目的就是光电子半导体的发展。LED，
LD这些神气的电子器件便是这一发展的结果，尤其是近期有机光电材料的发展，更加是极大的推动着光电材料的进步。

首先半导体为什么会发光？

当电子从上面导带跳下来进入价带的时候，损失了一定的能量，这些能量就变成了光子发射出来，通俗的说就是发光了。呵呵：）

半导体激光器是以直接带隙半导体材料构成的PN 结或PIN
结为工作物质的一种小型化激光器.半导体激光工作物质有几十种，目前已制成激光器的半导体材料有砷化稼(GaAs
)、砷化锢(InAs)、氮化镓（GaN)、锑化锢( InSb)、硫化锅( cds )、蹄化福(CdTe
)、硒化铅(PbSe)、啼化铅(PhTe )、铝稼砷(A1xGa,-,As)、锢磷砷(In-PxAS)等.

半导体激光器的激励方式主要有三种，即电注人式、光泵式和高能电子束激励式. 绝大多数半导体激光器的激励方式是电注人，即给Pn
结加正向电压，以使在结平面区域产生受激发射，也就是说是个正向偏置的二极管，因此半导体激光器又称为半导体激光二极管.对半导体来说，由于电子是在各能带之间进行跃迁，而不是在分立的能级之间跃迁，所以跃迁能量不是个确定值，这使得半导体激光器的输出波长展布在一个很宽的范围上.它们所发出的波长在0.3
-34um 之间.其波长范围决定于所用材料的能带间隙，最常见的是AlGaA:双异质结激光器，其输出波长为750 - 890nm.
世界上第一只半导体激光器是1962
年问世的，经过几十年来的研究，半导体激光器得到了惊人的发展，它的波长从红外、红光到蓝绿光，被盖范围逐渐扩大，各项性能参数也有了很大的提高，其制作技术经历了由扩散法到液相外延法(LPE)，气相外延法(VPE)，分子束外延法(MBE),MOCVD
方法(金属有机化合物汽相淀积)，化学束外延(CBE)以及它们的各种结合型等多种工艺.其激射闭值电流由几百mA
降到几十mA，直到亚mA，其寿命由几百到几万小时，乃至百万小时从最初的低温(77K)下运转发展到在常温下连续工作，输出功率由几毫瓦提高到千瓦级(阵列器件)它具有效率高、体积小、重量轻、结构简单、能将电能直接转换为激光能、功率转换效率高(已达10%以上、最大可达50%).便于直接调制、省电等优点，因此应用领域日益扩大.目前，固定波长半导体激光器的使用数量居所有激光器之首，某些重要的应用领域过去常用的其他激光器，已逐渐为半导体激光器所取代.

半导体激光器最大的缺点是:激光性能受温度影响大，光束的发散角较大(一般在几度到20度之间)，所以在方向性、单色性和相干性等方面较差.但随着科学技术的迅速发展，半导体激光器的研究正向纵深方向推进，半导体激光器的性能在不断地提高.目前半导体激光器的功率可以达到很高的水平，而且光束质量也有了很大的提高.以半导体激光器为核心的半导体光电子技术在21
世纪的信息社会中将取得更大的进展，发挥更大的作用. 主要半导体激光器的工作原理、发展历史和应用前景作一简略的介绍.

 高功率光纤激光器的原理图，按激光器三大组成部分浅析如下：



    工作物质-----双包层特种光纤：

    1、单模纤芯由掺镱离子等元素的石英材料构成，作为激光振荡通道；而内包层则由横向尺寸和数值孔径比纤芯大的多、折射率比纤芯小的纯石英材料构成，它是接受多模LD泵浦光的多模光纤；正是因为掺杂激活纤芯和接受多模泵浦光的多模内包层分开，才得以实现了多模光泵浦而单模光输出的可能，从而无形化解了激光功率和光束质量这一矛盾。
    2、整个双包层光纤采用D型等结构，旋光效应小，吸收充分，光光转换80%以上。
    3、光纤两侧生出无数杈纤，每分衩可与带尾纤的LD无缝耦合形成分点泵浦，可极大地提高输出功率，同时又避免了传统端泵带来的一系列热效应问题。
    4、光纤采用比普通玻璃性能更好的石英材料制成，同时掺杂耐高辐射离子，整段光纤可承受高达10,000W的激光能量而不会出现热损伤情况。
    5、Yb3+没有激发态吸收，可高浓度掺杂，同时光纤可达几百米，一可大大提高激光增益，二又增大了散热面积；光纤盘在热沉上，简单风冷便可稳定工作。
    6、 Yb3+的吸收谱比Nd3+要宽10倍，对LD光源模式十分宽松，几乎不受波长温漂的影响，可大大转换效率。
    7、Yb3+能级为简单的二能级，亚稳态寿命是Nd3+的三倍，小功率泵源就可在激发态积累贮存大量的能量，十分合适在极窄的纤芯内形成高密度的离子数反转，从而可输出稳定的强激光。



    光学谐振腔----光纤光栅：



    1、光纤光栅是利用光纤材料的光敏性：即外界入射光子和纤芯相互作用而引起后者折射率的永久性变化，用紫外激光直接写入法在单模光纤的纤芯内形成的空间相位光栅，其实质是在纤芯内形成一个窄带的滤光器或反射镜。 
    2、光纤光栅是被刻在纤芯的两端，当激活离子发射出一连续宽带光传输到光栅时，它会有选择地反射回相应的一个窄带光（如1064nm），并沿原传输光纤返回振动；其余杂光则直接透射或发射到光纤外滤掉。
    3、光纤光栅是在纤芯本身上刻录的，与光纤连成一体高度融合，不占任何额外体积，无任何插损，不怕任何振动和杂物的侵入。
    4、光纤光栅起着激光选频、反馈和放大的功能，从而巧妙地取代了镜片式传统光学谐振腔，从根本上解决了震动、灰尘和潮湿等引起的一系列光路需调节的烦琐问题。
    5、一般的通讯光纤光栅是温度敏感的，要承受高功率激光辐射，则必须采用负膨胀材料封装光纤光栅，把温漂系数控制在0.001nm/oC以下。

    泵浦系统-----侧面泵浦：



    1、采用杈纤直接熔接耦合进行侧泵，一无需任何光学元件，二可避免损伤光纤端面，三是容易提高泵源的注入。
    2、新颖的蜈蚣式侧泵方式：光纤两侧生许多纤杈与LD尾纤直接熔接，从各个不同点进行单个泵浦，可避免强激光单点引起的非线性效应和模式恶化。
    3、采用多个高功率LD单管代替LD集成阵列作泵浦源，一可提高光源的模式，二是易于泵源的散热提高寿命，三有利于维修更换。
    4、采用发光面很宽的LD（100-250us）作为泵源可大大降低LD发光点所承受的光功率密度提高其寿命，一般可达100,000小时。

高功率双包层光纤激光器

高功率双包层光纤激光器

供稿人：陈德根  供稿时间：2004-10-22

高功率双包层光纤激光器是国际上新近发展的一种新型固体激光器，它具有散热面积大、光束质量好、体积小巧等优点，同常规的体积庞大的气体激光器和固体激光器相比，具有明显的优势，已逐渐发展成为高精度激光加工、激光雷达系统、空间技术、激光医学等领域中的重要候选者。   国内:已有多家单位开展了双包层光纤激光器的研究，长春理工大学国家高功率半导体激光国防科技重点实验室报道了双包层光纤激光器的发展现状，给出了圆环形和偏心形双包层光纤激光器泵浦效率的计算公式，并对二者进行了比较。   南开大学物理科学学院研制了一种国产LD泵浦的高功率掺钇双包层光纤激光器。该激光器的泵浦功率2.15W时，得到了1.54W的功率输出，斜率效率达到86.1％，并对光纤激光器的光谱特性、时域特性进行了初步的研究和分析。   复旦大学2002年研究了一种高效率可调谐掺钇双包层光纤激光器，在抽运半导体激光为915nm、功率为1W的条件下，掺钇双包层光纤激光器的最大输出功率为440mW，输出斜率效率约为80％。输出波长可在1070nm-1150nm的范围内调谐。   清华大学精密电子系在2003年采用双端包层抽运，实现了光纤激光器30W激光输出，光－光转换效率49%。   中科院上海光学精密机械研究所2003 年报道了50W掺钇双包层光纤激光器，该激光器输出功率50W，光-光效率44%。到2003年11月上海光机所的双包层光纤激光器达到了115 W，今年该所科技人员再接再厉，继续攻关，一方面加大了泵浦入纤功率，一方面采用了新的结构，克服了高功率运转时的热效应和非线性效应问题，在单端泵浦的情况下，使得光纤激光的输出功率达到200W以上，光-光转换效率近70%。   中国专利有5篇涉及到双包层光纤激光器，其中中国科学院上海光学精密机械研究所申请了4篇，南开大学申请了1篇专利。中国科学院上海光机所的4篇专利分别是：圆柱形排布的双包层光纤激光器（02136855.4）、圆柱形排布的脉冲双包层光纤放大器（03114820.4）、双包层光纤激光器的泵浦装置（03115811.0） 和双包层光纤腔内倍频激光器（03116633.4）   国际：1999年的Electronics letters期刊上由美国V.Dominic等人报道了110W双包层光纤激光器，该掺钇双包层光纤激光器单模输出功率110W，光-光转换效率58%。   2002年的Optics express期刊上由德国M.auerbach等人报道了10W宽调节范围窄线宽双包层光纤激光器。输出功率10W，斜率效率为68%。   国际上也报道了双包层光纤激光器的专利，其中世界专利   （WO03098295）涉及一种双包层光纤激光器和具有长周期光纤光栅放大器，日本专利（JP2001013346）涉及一种双包层光纤激光器和光学放大器。    国内外掺钇双包层光纤激光器主要技术指标：   上海光机所 清华大学 美国 德国 输出功率W 200 30 110 10 光－光转换效率 70% 49% 58% / 年份 2004 2003 1999 2002

Highwave推出光纤激光器产品

法国 HighWave光技术公司 今天推出光纤激光器系列产品。这些产品适合在工业领域，仪器领域以及军事领域。这将进一步加强Highwave技术公司的盈利能力。光纤激光器在工业领域的应用包括雕刻，切割等，这一市场的年销售额将超过10亿美元。光纤激光器在这一领域是YAG激光器的直接竞争者。