光纖激光器采用976nm泵浦的優(yōu)勢

最近十多年來，隨著泵浦源和激光器結(jié)構(gòu)的不斷改進(jìn)，光纖激光器技術(shù)有了很大的提高?；趽借O光纖的激光器（YDF-laser）因?yàn)橛兄^高的電-光轉(zhuǎn)換效率，較好的光束質(zhì)量和穩(wěn)定性等優(yōu)勢被廣泛用于工業(yè)，科研等領(lǐng)域。

 

 

Fig 1, 不同金屬材料的光譜吸收率

 

如今的大功率單模組光纖激光器早已能夠輕松實(shí)現(xiàn)數(shù)KW級(jí)的光功率輸出，這使得這類激光器在金屬加工領(lǐng)域被廣泛應(yīng)用。在同等的光輸出功率條件下，由于吸收率的不同，基于摻鐿光纖的1微米光纖激光器比10微米的CO2激光器在加工金屬材料時(shí)效率有顯著的提升。Fig 1給出了不同金屬材料的光譜吸收率，從圖中可以看出大部分金屬材料對光譜的吸收特性大致呈現(xiàn)出吸收率隨著光波長增大而減少的趨勢。金屬材料對輸出波長在1070 nm左右的摻鐿光纖激光器相對于輸出波長在10600nm的CO2 激光器明顯更強(qiáng)。特別是金屬鐵在1070 nm波長條件下的吸收率比在10600 nm波長條件下提高了將近6倍。

 

 

Fig 2, 鋁硅酸鹽和磷硅酸鹽摻鐿(Yb)光纖對800~1100 nm光譜的相對吸收率

 

因?yàn)閾借O光纖對976nm和915 nm波長的光有非常強(qiáng)烈的吸收特性，所以這類激光器主要由發(fā)射上述波長的半導(dǎo)體激光器(LD)泵浦。Fig 2是兩種典型的摻鐿光纖對800~1100 nm光譜的相對吸收率，摻鐿光纖在915nm 和 976 nm附近存在明顯的特征吸收峰。976 nm光波在鋁硅酸鹽摻鐿光纖中的吸收率是915 nm光波的將近3倍，在磷硅酸鹽中前者的吸收率更是后者的近5倍。如此懸殊的吸收率差異，意味著這類激光器采用976 nm LD泵浦技術(shù)能夠獲得更高的光-光轉(zhuǎn)換效率。同時(shí)更高的吸收率也意味著可以有效減少光纖的長度，從而在一定程度上限制有害的非線性效應(yīng)。

 

 

Fig 3 不同Yb離子能態(tài)反轉(zhuǎn)率導(dǎo)致的光子暗化（PD）損失隨時(shí)間變化的曲線

 

目前大功率的稀土摻雜光纖激光器都需要面對光子暗化(Photodarkening)問題。這個(gè)問題導(dǎo)致激光器的輸出功率減小，穩(wěn)定性和工作壽命大幅度下降。光子暗化現(xiàn)象同樣被大量報(bào)道存在于鐿離子摻雜的光纖激光器中。當(dāng)前人們普遍認(rèn)為是由于玻璃基質(zhì)中產(chǎn)生的色心(color-center)導(dǎo)致了這個(gè)現(xiàn)象。之前的研究報(bào)道提出了很多可能的方式去解決這個(gè)光子暗化問題，包括在光纖內(nèi)共摻磷，利用405nm 激光進(jìn)行光子漂白(photobleaching), 甚至是利用高溫對發(fā)生光子暗化的光纖進(jìn)行退火處理。其中共摻磷的方式雖然能夠有效抑制光子暗化，但是卻增大了背景損耗和數(shù)值孔徑。

 

之前Koponen等人對光子暗化現(xiàn)象的研究表明光子暗化速度很大程度上取決于激發(fā)態(tài)鐿離子的濃度，也就是鐿離子的能態(tài)反轉(zhuǎn)率（Yb inversion rate）。他們發(fā)現(xiàn)光子暗化速率同鐿離子能態(tài)反轉(zhuǎn)率的7次方成正比。在Fig 3中給出了在不同鐿離子能態(tài)反轉(zhuǎn)率條件下光子暗化損失隨時(shí)間變化曲線。數(shù)據(jù)很直觀地表明光子暗化率隨著能態(tài)反轉(zhuǎn)率的增加而急劇增大。

 

 

Fig 4  976 nm和920 nm泵浦條件下Yb 離子能態(tài)反轉(zhuǎn)率隨泵浦功率變化曲線

 

(假定反轉(zhuǎn)率數(shù)據(jù)在標(biāo)準(zhǔn)方差小于1%時(shí)足夠平滑)

 

在摻鐿光纖中的能態(tài)反轉(zhuǎn)率受到光纖的質(zhì)量，泵浦功率，光反饋以及泵浦光波長等多個(gè)方面的影響。采用合適的泵浦光波長可以在很大程度上抑制光子暗化。將能態(tài)反轉(zhuǎn)率粗略地定義成在某一泵浦光波長下光子吸收率同發(fā)射截面的比率，那么可以通過仿真得到摻鐿光纖在976nm和920 nm兩種泵浦光條件下的能態(tài)反轉(zhuǎn)率隨泵浦功率變化的曲線(Fig 4)。雖然上文Fig 2 中的吸收譜表明摻鐿光纖對976 nm波長光的吸收特性明顯強(qiáng)于其他波長，但是因?yàn)?76nm波長光相對較大的發(fā)射截面，所以最終得到了比在920 nm泵浦光條件下更低的能態(tài)反轉(zhuǎn)率。雖然數(shù)據(jù)并沒有直接給出915 nm泵浦光條件下的能態(tài)反轉(zhuǎn)率，但是從這個(gè)結(jié)果仍然可以推測出976 nm泵浦光源有著比前者更強(qiáng)的抗光子暗化潛力。

 

雖然976 nm泵浦方式有著更高的吸收率和光光轉(zhuǎn)換效率可以有效減少增益光纖的長度，并且能夠減少有害的光子暗化效應(yīng)，但是其相對于915 nm泵浦方式在光纖處理和耦合上的技術(shù)難度更大。而且摻鐿光纖在976 nm范圍的吸收譜過于狹窄，泵浦源溫度波動(dòng)導(dǎo)致的波長變化很容易導(dǎo)致激光器輸出功率不穩(wěn)定，采用這種泵浦技術(shù)對激光器的熱管理系統(tǒng)有非常嚴(yán)格的要求。正因?yàn)槿绱耍壳爸挥猩贁?shù)的激光器廠商像德國的IPG，美國的Coherent-Rofin以及美國的GW等廠商在量產(chǎn)的工業(yè)激光器中大規(guī)模使用976 nm 泵浦源。