近日，中國(guó)科學(xué)院上海光學(xué)精密機(jī)械研究所高功率激光單元技術(shù)實(shí)驗(yàn)室胡麗麗研究團(tuán)隊(duì)在超短脈沖大模場(chǎng)多組分玻璃光纖放大器方面取得重要進(jìn)展。相關(guān)研究成果于5月在線發(fā)表于《中國(guó)激光》。

大能量、高峰值功率超短脈沖激光在遠(yuǎn)距離激光雷達(dá)、地震探測(cè)、主動(dòng)照明等領(lǐng)域具有重要應(yīng)用價(jià)值。主振蕩脈沖放大系統(tǒng)（MOPA）是超短脈沖激光的主要運(yùn)行方式，其中有源增益光纖是關(guān)鍵核心部件。目前，傳統(tǒng)有源石英光纖存在稀土離子溶解度有限、難以保證低數(shù)值孔徑（NA）纖芯制備的均勻性等問題，導(dǎo)致其使用長(zhǎng)度較長(zhǎng)（數(shù)米），纖芯直徑通常小于40μm，具有較低的非線性閾值，進(jìn)而限制其輸出的脈沖能量。相比之下，多組分氧化物玻璃具有稀土摻雜濃度高、光學(xué)均勻性好等優(yōu)勢(shì)，能夠獲得模場(chǎng)面積大、吸收系數(shù)高的大模場(chǎng)增益光纖，從而大幅提升大能量脈沖放大的非線性閾值。

然而，大模場(chǎng)光纖的制備難點(diǎn)在于降低數(shù)值孔徑的同時(shí)保持極高的均勻性。例如，要實(shí)現(xiàn)NA為0.03的單模摻Y(jié)b光纖，則需要纖芯與包層玻璃的折射率差值小于3×10-4，這要求玻璃本身的光學(xué)均勻性達(dá)到10-5量級(jí)。

圖 1. 摻Y(jié)b磷酸鹽大模場(chǎng)光纖脈沖激光放大器結(jié)構(gòu)圖

圖 2. 放大的脈沖激光的平均功率隨泵浦功率的變化，插圖是輸出激光的光斑和光譜

研究團(tuán)隊(duì)從大尺寸、高光學(xué)均勻性磷酸鹽激光玻璃的制備工藝出發(fā)，采用光學(xué)均勻性約為1×10-6的高摻Y(jié)b磷酸鹽玻璃作為光纖基質(zhì)，在自研高摻Y(jié)b大模場(chǎng)磷酸鹽光纖中實(shí)現(xiàn)了平均功率27.3W的脈沖激光放大輸出。該系統(tǒng)采用摻Y(jié)b大模場(chǎng)磷酸鹽雙包層光纖（30/135/280μm）與匹配無源石英光纖（20/130μm）異質(zhì)熔接的全光纖方案（熔點(diǎn)損耗為0.3 dB），結(jié)構(gòu)如圖1所示。其中，信號(hào)光波長(zhǎng)為1030nm、脈寬為30ps、重復(fù)頻率為27MHz，摻Y(jié)b磷酸鹽光纖的纖芯和內(nèi)包層的NA分別為0.03和0.41，纖芯中Yb2O3質(zhì)量分?jǐn)?shù)為6%，背景損耗為0.61300nm，使用長(zhǎng)度為30cm；采用976 nm包層泵浦，獲得放大后脈沖激光的平均功率如圖2所示，最大輸出平均功率為27.3W，斜率效率為71.4%，同時(shí)未觀察到受激布里淵散射等非線性效應(yīng)。該結(jié)果體現(xiàn)出了磷酸鹽玻璃在高摻雜能力、高光學(xué)均勻性以及高非線性閾值的優(yōu)勢(shì)。

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