实验十七 ld 泵浦的掺yb双包层光纤激光器new

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1、实验十七LD泵浦的掺Yb双包层光纤激光器一、实验目的1.了解掺Yb3+光纤的光谱特性2.了解双包层光纤的结构和特点3.学习LD泵浦双包层光纤的技术和方法4.掌握使用光谱仪、光功率计测量双包层光纤激光器重要输出参数的测量方法5.观测双包层光纤激光器的输出光束模式，与普通光纤的输出光束模式进行比较二、实验原理1.掺Yb3+光纤的光谱特性在石英基质中，Yb3+离子的能级结构如图17-1所示。与其它稀土离子相比，Yb3+离子的光谱结构更为简单，仅由基态2F7/2和激发态2F5/2两个能级族组成，因此在泵浦波长和信号波长处都不存在

2、激发态吸收（ESA）。掺Yb3+光纤的吸收和发射谱很宽，具有潜在的从975-1200nm的发射谱段，Yb3+的宽带增益弥补了其它激光光源在1.1—1.2mm处的空白。另一方面，很宽的吸收谱使泵浦源的选择具有更多的灵活性，可供选择的激光器有AlGaAs，InCaAs半导体激光器、掺钕蓝宝石固体激光器、Nd3+:YAG激光器和Nd3+:YLF激光器等。edabccm-11100103090065002F7/22F5/2图17-1Yb3+离子能级结构图图17-2Yb3+的吸收（实线）和发射（虚线）截面2.双包层光纤结构：光纤传

3、输理论给出单模传输截止波长为：（1）其中，lc：光的波长，：纤芯半径，n：纤芯折射率，D：相对折射率差。对于1mm－1.5mm波长而言，典型的纤芯半径为4mm，数值孔径仅为0.23。这一芯径和数值孔径远小于透镜聚焦后高斯光束的模斑半径和汇聚角，限制了泵浦光的入纤耦合效率。同时，要获得单模激光输出，泵浦光也必须是单模，而单模泵浦光功率是较低的，因此单模掺杂光纤激光器输出功率通常不超过100mW。双包层光纤结构对光纤激光器来说是一个具有重大意义的技术突破。双包层光纤的结构如图17-3所示。可以看到，光纤由4个层次组成：（1）

4、光纤芯；（2）内包层；（3）外包层；（4）保护层。纤芯由掺稀土元素的SiO2构成，它作为激光振荡的通道，对相关激光波长设计为单模；内包层由横向尺寸和数值孔径（NA）比纤芯大得多、折射率比纤芯小的纯SiO2构成。它是泵浦光通道，对泵浦光是多模的；外包层由折射率比内包层小的软塑材料构成；最外层则由硬塑材料包围，构成光纤的保护层。光纤芯内包层外包层泵浦光保护层激光输出图17-３双包层光纤的结构示意图双包层光纤内包层的关键作用就是提高了光纤的数值孔径：（1）包绕纤芯，将激光辐射限制在光纤纤芯内；（2）多模导管作为泵光的传输通道，

5、把多模泵光转换为单模激光输出。正如图17-3所示的，泵光的能量不能直接耦合到光纤纤芯内，而是将泵光耦合到内包层，光在内包层和外包层之间来回反射，多次穿过单模纤芯被其吸收。这种结构的光纤不要求泵光是单模激光，而且可以对光纤的全长度泵浦，因此可选用大功率的多模激光二极管阵列作泵源，将大约70％以上的泵浦能量间接地耦合到纤芯内，大大提高了泵浦效率。双包层光纤的设计应兼顾光的注入效率和泵浦速率的不同要求，前者要求较大尺寸的包层波导，而后者则要求较小尺寸的包层波导。同时泵光吸收效率依赖于内包层的几何形状和纤芯在包层结构中的位置，并

6、且与纤芯/内包层面积成正比。因此圆形、长方形、正方形、六边形、D形和星形结构的内包层，以及同心、偏心的包层波导都被研究过，其中圆形内包层、同芯的双包层光纤吸收效率最差，而内角为300、600、900和1200的多边形的内包层结构为最佳横截面形状。几种典型的内包层结构光纤的截面结构如图17-4所示。图17-4几种典型内包层光纤的横截面结构示意图3.LD抽运的掺Yb3+双包层光纤激光器：通常用LD泵浦的掺Yb3+光纤激光器装置如图17-5所示。由两只透镜组成的耦合系统对泵浦光进行准直和聚焦，将一只二色镜紧贴光纤输入端面放置，

7、作为激光谐振腔的前腔镜，利用光纤输出端面的菲涅耳反射作为后腔镜构成激光谐振腔。当然还可以采用其它形式的后腔镜，如利用单模光纤中的背向受激布里渊散射（SBS）提供腔反馈、或者利用半导体可饱和吸收体等。LD光功率计光谱仪光学耦合系统二色镜双包层光纤尾纤输出图17-5LD泵浦掺Yb3+光纤激光器装置在图17-5所示的激光系统中，由于采用的是端泵浦方式，为提高泵浦光的入纤效率，要求泵浦光入射端的光纤端面有尽可能好的光学质量，同时对作为输出腔镜的光纤端面有更高的要求，包括平整度、高光洁度，并且与光纤的轴线垂直等等。因此，对光纤端面

8、的处理是非常关键的技术。此外，由于LD的工作波长随器件温度的变化漂移很大，因此在设计时应考虑使LD工作波长的漂移量控制在Yb3+吸收峰的半宽度之内。对于图17-5所示的光纤激光器，可以简化为图17-6所示的模型来进行理论分析。其中掺Yb3+光纤长度为L，腔两端反射率分别为R1、R2。腔内前后向传播的信号光功率为：(2