PPUMP[W]
掺镱光纤的吸收和发射谱
泵浦吸收带宽，9xxnm波段，选择范围大；增益带宽较大易于实现不同 波长的输出或者可调激光器的输出；相对较长的粒子上能级寿命，利于 能量积累，有利于实现调Q，锁模激光输出。
Fitted Abs. spectrum, calculated g* for LMA-YDF-20/400
高功率连续掺镱光纤激光器的关键器件
高功率光纤布拉格光栅FBG HR：高反光纤光栅High Reflectivity >99.5%的反射率，反向漏光 低 宽的3dB带宽（FWHM）， 1.5~2nm Chirp啁啾设计 功率承受能力>1000W （信 号），>1000W （泵浦）实测 泵浦功率>1500W.55
kW级高功率双包层光纤光栅
FBGL4EHC4555 & FBGL4ELC4555透射谱
掺镱光纤的选择
kW级高功率连续掺镱光纤激光器对光纤的要 求。
适度的掺杂浓度，9xxnm的吸收水平，避免团簇聚集（clustering）导致 的淬灭（quenching）效应。降低光子暗化（Photodarkening）效应。 相对较大，标准的400um包层兼容商用半导体泵浦激光器尾纤，降低应 用成本。 大模场（LMA）低数值孔径（NA）纤芯设计，降低纤芯模式传输数量， 提升输出光束质量（Beam quality)。 高可靠的涂覆层设计，满足工业级光纤激光器的长期可靠性要求。 有源光纤和无源光纤器件之间必须严格匹配，保证输出光束质量和功率 稳定性。
MMC0611C6493
Combiner泵浦功率承受能力
合束器的单 臂泵浦功率 承受能力和 应用有很大 的关系。 右图展示了 （6+1)x1型 合束器在不 同的壳体温 度下，承受 不同的信号 功率情况下 的单臂泵浦 功率承受能 力。 600
Max Power per pump leg (W)
#3-#2 - 1.37 Meters
1100
1150
#3-#1 - 5.29 Meters
Nufern LMA-YDF-20/400双包层掺镱光纤实测吸收谱
Nufern第八代Gen.VIII掺镱光纤
Measured Absorption and Calculated Emission 2.00 Cross-Sectionsfor Yb in Gen VIII host glass
500 400 300 200 100 0 0 20 40 60 Ambient temperature (C)
0 125 250 375 500 625 750 875 1000

Combiner泵浦功率承受能力
如何提升合束器的泵浦功率承受能力？ 降低泵浦光纤插入损耗---损耗在耦合区的泵浦功率 较低---泵浦光纤的波导受损较小---信号光纤波导破 坏相对严重---信号光损耗增大 合适的制冷方式，例如双面制冷。 降低通过合束器信号光纤的激光功率 前向泵浦方式（co-pumping)的合束器通常承受的 信号激光功率较低（MO），或者没有信号激光功 率，可以承受较高的泵浦功率。
1.0um波段高功率全光纤结构连续 掺镱光纤激光器
上海瀚宇光纤通信技术有限公司
张瑞新 2012年8月
目 录
掺镱光纤激光器的领先优势 掺镱光纤激光器工作波长的选择 1.0um波段高功率连续掺镱光纤激 光器（百瓦~kW量级） kW量级高功率连续单模掺镱光纤激 光器
掺镱光纤激光器的领先优势
掺镱光纤激光器的领先优势
掺镱光纤激光器因为有较高的泵浦应用效率，中低 功率的掺Yb激光器可以采用风冷机制，有利于小型 化的系统集成。 相对容易的热管理


掺镱光纤的高转换效率意味着系统产生的热较小
。
光纤激光器的特点是整根光纤都可以散热，散热表面积较大。
波导结构的设计决定光纤激光器的输出光束质量， 优化设计的光纤能够实现kW级单模输出的高功率光 纤激光器。
功率放大器的增益不宜过高。建议<10dB.

过高的增益需要较高功率的泵浦，增加（N+1)x1型合束器的负担。 相对较低的种子信号功率导致放大级ASE的增加，容易产生自激（Self-lasing)威胁系统 的安全。 过高的放大级增益降低了系统对回波反射光的抵御能力。 ASE在大模场（LMA）光纤中传输，降低系统增益，让输出光束质量下降。 过高的ASE增加输出端包层功率剥离器（Cladding Power Stripper: CPS)的负担。
掺镱光纤激光器的领先优势
光纤激光器的热效应不会引起光束质量的劣化。 光纤激光器可以实现一体化全光纤结构设计，所有 器件之间采用永久性的连接（熔接），没有活动器 件，不需要复杂的维护，和固体激光器以及气体激 光相比，有应用成本和维护成本方面的优势。 光纤激光器相对尺寸较小，重量较轻，可以节省激 光器系统的安装空间。 可以采用主振荡腔（MO）以及主振荡功率放大 （MOPA）技术实现高功率的光纤激光器输出。
2.
高功率连续掺镱光纤激光器的设计（1）
（N+1)x1单端前向泵浦（Co-pumping)
关键器件
（N+1)x1 combiner
高功率（N+1)x1型多模泵浦合束器，泵浦光纤典型为105/125um NA=0.22或者200/220um光纤 NA=0.22; 单臂功率能力100W ，200W 。 信号输入光纤：单模或者大模场LMA 信号输出光纤：LMA-GDF-20/400-M NA=0.065/0.46 高功率封装，功率承受能力>1kW.
Counter-pumping (N+1)x1 Combiner
MMC0611C6493
信号光纤/输出光纤 20/400um NA=0.06/0.46 泵浦光纤 200/220um NA=0.22 单臂承受功率能力：100W 应用：Couter-pumping.
Counter-pumping (N+1)x1 Combiner
高功率连续掺镱光纤激光器的设计（3）
主振荡功率放大（MOPA）设计
MOPA高功率连续光纤激光器
模场适配器（Mode Field Adaptor: MFA) 低功率单模主振荡腔（MO）种子激光器和高功率大模场（LMA）放大器（PA）之间
的模场适配是系统安全和输出光束质量保证的关键。 单模---LMA光纤之间的模场匹配，抑制高阶模式（HOM）产生是保证放大级（N+1)x1 型合束器安全稳定工作的关键因素之一。
2.5
Absorption and g* (dB/m)
Absorption g*
2.0
1.5
1.0
0.5
0.0 850 870 890 910 930 950 970 990 1010 1030 1050
Wavelength (nm)
掺镱光纤激光器工作波长的选择
掺镱光纤激光器的典型工作波长为1064nm1090nm，例如1080nm。 因为掺镱光纤的准三能级特性，合适的工作波长选 择能够得到更高的系统效率。 掺镱光纤激光器工作在~1040nm或者以下的波长开 始有明显的三能级系统特征：需要较高的粒子激发 态水平，阈值泵浦功率增大，没有抽运的有源光纤 对激光波长有强烈的吸收，降低激光增益，以及系 统效率。
kW级(6+1)x1型泵浦合束器
MMC0611C3437 输入输出信号光纤： 20/400um NA=0.06/0.46 泵浦光纤：200/220um NA=0.22 单臂功率能力：200W 总功率承受能力：200W x 6 =1200W 泵浦方式：前向泵浦 （ co-pumping)
掺镱光纤激光器工作波长的选择
掺镱光纤激光器工作在1080nm或者以上的波长是开始有明 显的四能级系统特性，未经泵浦的光纤对激光没有重复吸收 的现象，阈值泵浦功率较低，展现的是净增益现象，随着泵 浦功率提高，激光增益提高。 掺镱光纤激光器工作在1040~1080nm之间属于准三能级系 统。光纤长度需要优化设计。 【结论】
高功率光纤布拉格光栅
FBGL4EHC4555
高功率连续掺镱光纤激光器的关键器件
FBGL4ELC4555 低反射率光栅OC （Output Coupler) 反射率典型值10%，可指 定 FWHM：1nm（可指定） 和HR光栅之间的中心波 长偏差<0.2nm 均匀光栅或者啁啾光栅 承受功率能力>1000W
MMC0611C3437
关键技术指标：
高功率连续掺镱光纤激光器的设计（2）
(N+1)x1双向泵浦MO设计 (Co & counter Pumping)
关键器件
Counter-pumping （N+1)x1 combiner 和前向泵浦的（N+1)x1型合束器不同 需要承受较高的信号功率---信号插入损耗低 较高的泵浦插入损耗---单臂泵浦功率较低 同样的封装结构---同样的散热功率处理能力 Counter-pumping的combiner需要考虑LP01 模式的稳定性，保证系统的输出光束质量
在过去的将近20年内，灯泵浦固体激光器和 气体激光器（CO2）成为工业激光加工领域 的主力军。随着新一代光纤激光器的出现， 这种局面正在面临改变。 高效率的1.0um波段掺镱光纤激光器
甚至超过75%的光-光转换效率。 9xx泵浦掺Yb光纤激光器实现1.0um波段输出，典型的工作波长例如 1064nm，1070nm，1080nm，1085nm，1090nm等等。替代固体激光 器例如Nd:YAG以及薄片激光器（Disk Laser）。
掺镱光纤
掺镱（Yetterbium-doped）激光介质的 电子能级结构非常简单，属于准三能级 系统。 掺镱光纤采用9xxnm半导体泵浦，例如 976nm实现高功率1064-1085nm波段的 激光输出，量子亏损相对较小，系统产 生热量低。 镱离子能级结构简单，只有单个激发态 （Stark level manifold), 不会像其他有 源离子一样因为激发态吸收ESA （Emission state absorption)，或者淬 灭（Quenching）导致复杂的激发态。 因而可以实现较高浓度的掺杂。