耿鹏程,庞 璐,武 洋

(中国电子科技集团公司第四十六研究所,天津 300220)

1 引 言

随着光纤激光器输出功率突破万瓦门槛,掺稀土光纤中的热效应已经成为激光器输出功率进一步提升的主要限制因素之一[1-3]。由于激光能量主要限制在面积仅为数百平方微米的纤芯内,所以随着激光功率的提升,纤芯内极高的功率密度会导致光纤内部温度急剧升高,破坏纤芯内的折射率分布,使得光束质量劣化,甚至还会造成涂覆层与纤芯的热损伤。由于目前光纤激光器主要采用端面泵浦方式,所以在掺稀土光纤端面处(即掺稀土光纤与无源光纤熔接点处)温度最高[4-6],导致熔接点处这一薄弱点更易烧损。另一方面,受激布里渊散射(Stimulated Brillouin Scattering,SBS)效应是光纤激光器输出功率进一步提升的另一个主要限制因素,尤其是对于脉冲激光器[7-9]。综上所述,对掺稀土光纤中的热分布进行控制优化、对非线性效应进行抑制,对于激光输出功率的进一步提升是极为必要的。

根据激光器的速率方程及热传导理论,掺稀土光纤中的温度分布与纤芯中稀土离子的掺杂浓度、泵浦光吸收系数、泵浦光强度以及制冷条件等因素密切相关[10]。通常用于降低掺稀土光纤热负载的方案为对光纤进行强制冷却。尽管采用冷却技术可使掺稀土光纤温度有效降低,但制冷装置通常体积较大、重量较高,不利于光纤激光器的小型化和轻量化。2008年,日立电线株式会社的姚兵及小岛正嗣等人提出了通过采用梯度掺稀土光纤(改变掺稀土光纤纵向稀土离子掺杂浓度的方法)调节光纤温度分布这一技术方案[11],理论仿真表明,采用此种方案可使光纤泵浦光注入端的温度降低30 %以上。……