光子晶体光纤激光器功率与温度特性研究

作者:李志伟;蔡晓东;厉力波;王建明;单鸿涛;魏云冰; 刊名:光电子·激光 上传者:刘芝秀

【摘要】通过实验的方法对掺Yb~(3+)双包层光子晶体光纤激光器的功率和温度特性进行了研究。利用长度为8 m的双包层光子晶体光纤(PCF),在双端泵浦源光功率为260 W时,获得213.4 W的高功率单模连续输出,光-光转换效率为82.1%;同时,由于激光器采用低吸收系数光纤泵浦,光纤温度未出现明显的非线性现象,且在最高输出功率时,光纤表面最高温度仅为32℃。该报道进一步验证了低吸收率的双包层光子晶体光纤的优良特性,若进一步优化耦合系统及增大泵浦激光器的泵浦功率,该光纤有望获得更好的性能。

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3.华中科技大学武汉光电国家实验室,湖北武汉430074)1引言光-光转换率作为衡量光纤激光器效率转换的一个重要指标,直接影响着激光器质量的优劣[1]。常规光纤激光器的纤芯尺寸一般较小,在高功率状态下,其非线性、热光损伤等问题比较严重,这就使得光纤激光器输出功率及其转换效率的大幅度提高面临极大的困难[2~6]。近年来,光子晶体光纤(PCF)逐渐成为研究的热点,它可以进一步提高光纤激光器的输出功率和转换效率。*E-mail:zhiwei.li@sues.edu.cn光子晶体光纤(PCF)不仅可实现较大的内包层数值孔径,有利于高功率泵浦,而且可实现大模场面积及较高的稀土掺杂浓度等[7]。这一方面可有效降低纤芯的功率密度,同时增大光纤对泵浦光的吸收系数,可使用相对较短的光纤实现高功率输出,进而有效地降低光纤的非线性效应[8,9]。随着双端泵浦技术、多级放大等新技术的成功应用,光子晶体光纤激光器的输出功率得到迅速的发展[10~15]。2005年,G.Bonati等人[10]应用纤芯直径为31μm,长度为30m的单根大模场光子晶体光纤(LMA-PCF)激光器获得1.53kW的高功率输出;2006年,J.Limpert等人[8]利用光纤直径为1.5mm,长度为0.5m的棒状光子晶体光纤获得了320 W的输出功率;逐步地,光子晶体光纤的输出功率得到了进一步提高[11,12];随后,各研究团队围绕激光器输出功率(光-光转换率)、非线性效应、热光损伤等展开了一系列研究,也取得了较好的成果[16~20]。本文基于掺Yb3+双包层光子晶体光纤激光器,对其输出功率(光-光转换效率)、温度特性等进行了实验研究。具体为采用了纤芯直径为20μm、长度为8 m的双包层光子晶体光纤,利用双端泵浦技术,在泵浦光总功率为260 W时,获得了213.4 W的高功率单模连续输出,其光-光转换效率为82.1%。同时,光子晶体光纤的表面温度较低且平稳,在最高功率输出时,光纤表面温度仅为32℃。实验结果表明,在高功率状态下,其非线性效应和热光损伤问题得到有效抑制,进一步验证了低吸收光子晶体光纤(PCF)的优良特性。2实验设置实验装置如图1所示,系统由泵浦源(LD)、泵浦耦合系统(C)和光子晶体光纤(PCF)等组成。LD1和LD2为半导体泵浦激光器泵浦源,其泵浦光中心波长为976nm;C1和C2为泵浦耦合系统,将泵浦光耦合进光子晶体光纤(PCF),实验测得它们的耦合效率为80%。泵浦耦合系统中,M1和M2为两个对激图1光子晶体光纤激光器结构图Fig.1 The schematic of PCF laser光波长1 040nm-1 090nm高反(R>99.5%)、对泵浦光高透(T>95%)的双色镜;M3为对激光部分反射(R=10%)的耦合输出镜,它与M1构成光纤激光器的谐振镜。光子晶体光纤(PCF)为8m长的双包层光子晶体光纤,该光纤内包层的数值孔径为0.55,纤芯直径为20μm,纤芯的数值孔径为0.06,对976nm泵浦光的吸收系数为1.45dB/m,光纤输出端面经过8°角抛光处理,可避免光纤端面的4%菲涅尔反射对激光输出的影响[16]。半导体泵浦激光器LD1发出的泵浦光经耦合系统C1准直聚焦,从端面耦合进光纤的内包层;LD2通过相同的耦合系统C2从光纤的另一端耦合进光纤,与LD1构成双端泵浦,PCF在泵浦光的激励下产生激光。激光经过耦合输出镜M3反射,提供部分激光反馈,对激光全反的双色镜M1则将激光全部反射回光纤,与M3构成谐振腔的两个腔镜。调整腔镜M1和M3,使激光稳定谐振,并获得最大输出

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