中國電子元件行業(yè)協(xié)會(huì )
China Electronic Components Association
由于摻鐿光纖激光器從科研領(lǐng)域到工業(yè)加工乃至國防領(lǐng)域的廣泛應用，對于具有高穩定性的多千瓦(≥3kW)級光纖激光器越來(lái)越迫切。
??過(guò)去幾十年來(lái)，光纖制造技術(shù)和其他關(guān)鍵部件取得了令人難以置信的進(jìn)步，導致連續波光纖激光器的輸出功率呈指數級增長(cháng)。然而，隨著(zhù)輸出功率的進(jìn)一步擴大，非線(xiàn)性效應(nonlinear, NL)、(光暗化photodarkening, PD)和熱負荷已被認為是多千瓦級輸出功率下激光器長(cháng)期可靠性的關(guān)鍵限制因素。
??通常，通過(guò)摻雜高濃度的Yb3+來(lái)縮短活性纖維是減少NL相互作用長(cháng)度的有效策略。但是高于溶解度閾值的摻雜水平會(huì )導致Yb3+團簇甚至相分離，這將大大降低PD電阻。否則的話(huà)，擴大效應區域也可以減輕NL效應。遺憾的是，由于大模場(chǎng)(LMA)光纖支持的模式數量增加，模式不穩定性(MI)現象成為阻礙光纖激光器在多kW級穩定運行的主要限制因素。MI會(huì )導致光束質(zhì)量下降以及光纖輸出處的光束輪廓波動(dòng)。
??之前的其他研究團隊發(fā)現抑制PD引起的熱負荷有助于提高摻Yb光纖的MI閾值。也證明了PD對MI的嚴重影響，他們認為PD是摻Yb光纖(YDF)中的第二熱源。因此，除了大模場(chǎng)和足夠的Yb3+濃度以外，制造具有出色PD性能的高質(zhì)量YDF對于提高激光輸出功率也至關(guān)重要。PD效應表現為取決于泵浦功率和摻雜劑濃度的，泵浦引起的過(guò)量損耗的演變過(guò)程。這可以歸因于由Yb3+激發(fā)到纖芯中原子缺陷前驅體的協(xié)同能量轉移過(guò)程中產(chǎn)生的色心。色心可以引起從紫外到近紅外波長(cháng)的隨時(shí)間變化的寬帶吸收，從而導致泵浦和激光波長(cháng)的激光功率顯著(zhù)降低。由于抑制了色心的形成，共摻雜Ce可以顯著(zhù)提高Yb / Al共摻雜纖維的抗PD性能。共摻雜鈰元素能顯著(zhù)提高Yb/Al共摻光纖的抗光暗化效應性能，但其抗光暗化效應的機理尚不清楚。
??來(lái)自中國科學(xué)院西安光學(xué)精密機械研究所(XIOPM)瞬態(tài)光學(xué)與光子學(xué)國家重點(diǎn)實(shí)驗室的SHE Shengfei和其同事共同制造了一種具有高激光穩定性的30/600有源光纖，該光纖被稱(chēng)為Yb/Ce-AS@LAS fiber。采用低溫螯合氣相沉積(LT-CGPD)技術(shù)對多千瓦級摻鐿光纖中鈰的添加進(jìn)行了綜合調整。最后，基于Ce共摻雜的Yb / Al光纖，它們在1,079.80nm處顯示了出色的結果。該研究成果發(fā)表在Lightwave Technology上。
??研究人員采用改進(jìn)的化學(xué)氣相沉積(MCVD)系統結合CGPD技術(shù)制備了具有均勻纖芯成分的Yb/Ce-AS@LAS光纖。為了降低本底損耗，提高鐿鈰砷鑭光纖的功率承載能力，采用了低溫CGPD技術(shù)，所有原料均具有較高的純度(≥5N)。連續波激光性能測試實(shí)驗是在一個(gè)多光子吸收系統上進(jìn)行的，如下圖所示。
使用5.40 kW泵浦光直接向前泵浦的MOPA配置，長(cháng)15m的30/600 Yb / Ce-AS @LAS光纖在1079.80 nm處輸出5.04 kW激光輸出，斜率效率為81.1%，光束質(zhì)量M2為2.65。同時(shí)，高功率光纖放大器的長(cháng)期穩定性得到了有效改善，同時(shí)表明了Ce的添加對PD和附加熱負荷的抑制作用。
他們不僅打破了光纖激光器的功率記錄，而且還基于通過(guò)LT-CGPD技術(shù)制造的自制Yb / Ce共摻雜鋁硅酸鹽纖維，為更好的商業(yè)大功率光纖激光器鋪平了道路。
