光纤激光器的泵浦源

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【摘要】根据光纤激光器的特殊结构，提出了光纤激光器泵浦源的不同种类，并给出了选择泵浦源的标准，以及其对应的效率。

【关键词】光纤激光器;泵浦源;高功率激光器

激光器主要组成部分分别为谐振腔、泵浦源以及工作物质。泵浦源就是使激光工作介质达到粒子数反转的激励源。粒子从基态到高能级的过程称为泵浦过程。常见的泵浦方式主要有电泵浦、化学泵浦、光泵浦、气动泵浦四种，而光泵浦和电泵浦是应用最为广泛的方式。气体激光器常采用电泵浦方式作为激励源，光泵浦方式则广泛应用于固体和液体激光器。光泵浦，是用一束光照射工作物质，使工作物质中的粒子吸收光子的能量而被激励到高能级上。LD泵浦源具有效率高，噪声较低，频率稳定，寿命长，结构紧凑等诸多优点，常被用作固体激光器的泵浦源[1]。

光纤激光器的工作物质一般为掺杂光纤，反馈腔一般为光纤光栅、光纤端面、环形镜等;采用光泵浦方式，便于将泵浦光耦合进光纤，且光纤纤芯本身极细，使其本身更容易形成上能级粒子数的累积。

光纤激光器的本质是波长转换器，可将泵浦波长转换为特定波长的光并以激光的形式输出。从物理学的角度出发，产生光放大的原则是给工作物质提供其可吸收的波长的光，使工作物质有效的吸收能量而被激活。因此根据掺杂材料的不同，对应的吸收波长也不同，对泵浦光波长的要求也就不同。例如掺钕光纤的泵浦光波长为800nm，980nm，530nm等，产生的激光波长为900nm，1060nm，1350nm等;掺铒光纤的泵浦光波长为800nm，980nm，1480nm等，产生的激光波长为1550nm[2]。

选择光纤激光器的泵浦源需要参考如下标准：

（1）高泵浦效率。泵浦效率直接影响泵浦功率，泵浦功率越高，调谐范围则越大;

（2）激发态吸收率（ESA）尽量小。ESA通常用的值来衡量，其中，为激发态吸收截面，为基态吸收截面。例如，掺铒光纤的泵浦光波长为532nm，980nm，1480nm。利用YAG倍频固体激光器可产生532nm的激光，但是YAG倍频固体激光器体积庞大，不便于投入市场。而波长为980nm，1480nm的泵浦激光器可选用大功率LD，其体积小且效率高，可作为理想泵浦光源。具体参数可见表1与表2[3]。

表1 不同泵浦波长处的泵浦效率

光纤种类 数值孔径 泵浦波长/nm 泵浦功率/mW 增益/dB 效率/（dB/mW）

SiO2/GeO2 0.16 532 25 34 1.35

SiO2/GeO2 0.16 980 10.5 24 2.20

SiO2/Al2O3 0.18 514 100 22 0.22

SiO2/Al2O3 0.14 514 100 16 0.16

SiO2/Al2O3 0.14 528 100 31 0.31

SiO2/GeO2 0.20 665 100 26 0.26

SiO2/GeO2 0.30 807 20 8 0.40

SiO2/Al2O3 0.12 1490 14 2 0.14

光纤激光器的泵浦源可采用传统固体激光器，也可采用高功率多模单芯结二极管激光模块或二极管阵列，对于二极管阵列，常用的是端面泵浦，将光注入光纤包层中。高功率的二极管阵列可激发产生高功率的激光，平均运行时间高达104h。它对水冷、脉冲模式有着严格的要求。对于单芯结二极管的光泵浦装置，不需要水冷，且更容易高效率的耦合进双包层光纤。单芯结二极管的光泵浦装置拥有与阵列模块同样高的输出功率，并具有更长的运行时间（高达2×105h）。

表2 与泵浦光波长的关系

波长/nm 光纤种类

GeO2 GeO2/B2O3 GeO2/P2O5 Al2O3

488 2.90 - 1.86 1.74

514.5 0.95 - 0.55 0.50

655 0.28 0.25 0.13 0.14

810 2.00 2.00 1.00 1.00

980 - - - 0

光纤激光器的研究刚起步阶段只开发出单包层光纤激光器，常在通讯领域中被应用，但单包层光纤激光器属于低功率激光器，无法满足医疗激光、机械加工的要求。这是因为强泵浦光在耦合进极细的纤芯内时会产生严重的非线性效应，而降低了转换效率。受到泵浦光的局限，使得光纤激光器在长时间内都只能应用在低功率的领域中。直到用双包层光纤代替原有的单模光纤后，实现了泵浦光到衍射极限的高效率的转换，光纤激光器终于在高功率激光器领域中占领了一席之地，将双包层光纤引入到光纤激光器领域，结束了光纤激光器对泵浦源选择的局限性，光纤激光器对泵浦源的特性依然有很大的要求，泵浦源的效率、尺寸、寿命都会直接影响到整个激光器的光输出情况。

参考文献

[1]张亮.全光纤型包层泵浦掺镱离子光纤激光器的研究[D].中国科学院长春光学精密机械与物理研究所，2005.

[2]王鹏飞，张栋，吕百达等.二极管泵浦圆盘激光器技术研究进展[J].激光技术，2003，27（6）：551-553，566.

[3]余飞.全光纤级联拉曼光纤激光器及其泵浦源实验研究[D].电子科技大学，2008.