单频双包层光纤放大器

内包层形状对光纤的泵浦效率有着重要影响。由于内包层是泵浦光的多模波导，泵浦光必须多次穿过纤芯才能被稀土离子吸收。内包层的形状影响着泵浦光的吸收从而影响着泵浦耦合效率。

大多数双包层光纤都是圆对称形的，它有以下优点:一是不需要对预制棒做光学机械加工使工艺更加简单，二是当泵浦源为带尾纤的 LD，圆形石英包层之间的尺寸匹配易于耦合连接。但是也有一个的缺点:圆对称特性会使内包层中大量的泵浦光成为螺旋光，只有子午光线与纤芯相交，而偏射光线由于波导结构的对成性，呈螺旋型传导，从不穿过纤芯，所以泵浦效果很低。在传输的过程中不经过掺 Yb3+的纤芯，从而大大降低了纤芯对泵浦光的利用效率。

为了克服这个缺陷，需要开发新型的内包层截面。在各种改进的泵浦方案中，有的采用双包层光纤直接与半导体激光器的发光面或阵列耦合，有的与集成束状的尾纤耦合，因此也需要研制具有特殊形状内包层的双包层光纤。为了提高对泵光的利用效率，并考虑到与具体的泵源形式相匹配，近几年来人们开发出了多种内包层截面形状的双包层光纤，用于各种包层泵浦光纤激光器的研制工作中，取得了很好的效果。

泵浦光在这些有不同形状内包层的双包层光纤中传输时，纤芯中的稀土元素对泵光吸收率有很大不同。一般认为，矩形双包层光纤具有较大的吸收率，理论上可达到 100%的吸收。圆形的双包层光纤，光纤的曲率对吸收率的影响非常大，而对矩形双包层光纤，光纤的曲率对吸收率的影响非常小。还有内包层尺寸对泵浦光耦合效率的影响，激光吸收效率的影响。

内包层的设计主要集中在 3 点:包层形状、几何尺寸和数值孔径。为了提高泵浦效率，包层形状设计时应考虑光纤的用途及泵浦条件，小芯径光纤的设计还应考虑泵浦光耦合、连接损耗等问题，同时应避免包层形状中出现尖锐的曲线，避免降低光纤的强度。对于一定的泵浦光，增大内包层几何尺寸和数值孔径有利于其耦合和传输，特别是增大数值孔径，内包层可传输泵浦功率将以平方增长。但是，无论内包层形状如何设计，增加其横截面积，也就是减小纤芯和内包层的面积比终究会减少对泵浦光的吸收，降低泵浦效率，同时，对光纤的泵浦波段 ASE噪声产生很大影响。

单频、高功率激光在激光雷达、光谱学、精密测量等领域有非常广泛的应用。与其他获得单频、高功率激光的方法(如传统的行波放大、注入锁定)相比，光纤放大具有体积小、结构简单、可控性和输出频谱特性好等优点。随着包层抽运技术的出现，单频光纤放大器的转换效率得到大幅度提高，在高功率和光频特性良好的激光束方面因其独特的优势而成为人们研究的热点。

国外在单频光纤放大器方面的工作开展较早，并已取得显著的成绩。1999 年汉诺威激光中心的Zawischa I 等利用掺N光纤放大获得了波长1064 nm、功率5.5 W 的单频输出，光原光转换效率为35%。其种子源为单块非平面环形腔激光器(NPRO)，输出功率750 mW。双包层光纤芯径为11依1 mm，数值孔径(NA)0.11;内包层直径为400 mm，NA0.38。光纤长30 m，并缠绕在直径为22cm 的圆盘上，以抑制高阶模式，获得单模输出。

2003 年，德国Liem A 等[2]报道了利用掺Yb3+光纤放大获得了100 W 的单频输出。采用大模场面积(LMA)双包层光纤，芯径30mm，NA0.06;内包层为D 型，直径400 mm，NA0.38，光纤长度为9.4m。以NPRO 为种子源，其最高输出功率为1.6 W，光束质量因子M2 约1.1，线宽2~3 kHz，波长1064 nm。当入纤抽运光为175W，信号光为1.6 W时，实验获得100 W 的单频输出，光原光转换效率为63%。

双包层(double-clad，DC)光纤结构中，纤芯被直径更大的多模(multimode)内包层包裹，泵浦光通过内包层传送，泵浦源可以使用功率较高相对成本较低的多模泵浦源。双包层光纤的出现，光纤激光器和光纤放大器可以产生更高的平均功率和脉冲能量。

双包层光纤的结构与内包层设计

一种典型的双包层光纤的结构，如上图所示，双包层光纤由四层构成，分别为光纤芯、内包层、外包层和保护层，纤芯是由掺稀土元素的 SiO2 构成，它作为激光的传输通道，对相关波长应设计成单模，以保证输出激光是基横模。包层由横向尺寸和数值孔径比纤芯大的多、折射率比纤芯小的 SiO2 构成，它是泵浦光传输通道，对泵浦光是多模的。

一般内包层可以做成各种形状，有圆形的、方形的、矩形的，泵浦光在不同形状的内包层中传输时，纤芯对泵浦光的吸收率不同。外包层是由折射率比内包层小的聚合物材料构成，这样在内包层和外包层之间形成了一个大截面、大数值孔径的光波导，它可以允许大数值孔径、大截面和多模的高功率泵光耦合到光纤中。最外层是硬塑料，用来保护光纤。双包层光纤与传统的单模光纤的区别在于:通过光纤结构设计和选择合适的材双包层铒镱共掺光纤放大器的研究料，紧靠纤芯的内包层折射率高于外包层折射率，从而在单模纤芯外面形成允许在其中传输高功率多模泵浦光的内包层。当泵浦光沿内包层纵向传播时，将多次穿越纤芯，从而激发稀土离子产生激光效应。由于允许包层中泵浦光多模传输，所以对泵浦源的要求大大降低，可以选择相对便宜的多模激光二极管进行泵浦，同时由于内包层具有较大横截面积和数值孔径，所以大大提高了入纤泵浦功率和耦合效率。

对于采用双胞层光纤的高功率 EYDFA，泵浦方式的选择至关重要。为了提高泵浦光的耦合效率，得到更高的饱和输出功率，必须选择合适的双包层光纤泵浦耦合技术。

随着技术的发展，大功率激光器和光纤放大器广泛应用与光通信，自由空间通信系统，光纤传感，以及基于光纤的微波信号的传输和处理等领域，为了追求更大的功率输出和增益，对于使用双包层光纤的光纤激光器和光纤放大器，如何将泵浦光高效的耦合进双包层光纤中，成为了制约光纤激光器和光纤放大器性能的关键因素。

泵浦技术，作为光纤激光器和光纤放大器的核心技术，就是要将以激光二极管 LD 或者二极管阵列 LD bar 作为光源的泵浦光功率耦合入双包层光纤的内包层或者光纤纤芯，以获得较高的功率输出。

常用的有三种耦合方式:1)端面泵浦耦合，2)taper 光纤耦合，3)侧面泵浦耦合，本节将论述部分典型的泵浦耦合技术，通过对工作方式和性能的比较，选择适合本课题的泵浦耦合方式。

端面泵浦耦合

将泵浦光耦合进内包层最早提出的方法是端面泵浦耦合技术，这种技术是将LD 发出的泵浦光直接耦合进多模光纤，分直接耦合和透镜耦合等多种方法。直接耦合是指将一根端面为平面的光纤直接靠近光源发射面，考虑到光源光束的最大发散角与接收光纤的数值孔径角不匹配程度，一般耦合效率约为 20%，这种方式更常用于两根相同光纤之间的耦合。

透镜耦合是利用一组准直聚焦透镜组和二向色反射镜耦合系统，把多模抽运光耦合进双包层光纤的内包层中，加透镜的目的在于将光源的发射面积和发散角经过成像靠近接收光纤的发光面积和发散角，从而提高耦合效率。从而提高耦合效率这种耦合方式在实验室最常见，技术最简单，但耦合效率低(约为 50%)。

端面泵浦耦合优点是结构简单，但是存在如下缺陷:在双包层光纤放大器中，要将多模泵浦光和单模信号同时耦合到双包层光纤中，就必须采用体积较大的二相色镜来耦合，增加了成本和体积。泵浦光只能通过双包层光纤的两个端面注入双包层光纤中，由于光纤端面的面积有限，所以限制了不能由 LD 阵列将高功率激光耦合到双包层光纤中。泵浦耦合占用了端面，不能再融解其他光纤器件，只能通过分光镜将信号光和泵浦光复用，这样导致插入损耗增大。

此外，该方式需采用高精度的多维光纤调节系统，也带来了因调节系统的漂移引起的系统稳定性问题。

有鉴于此，光纤侧面泵浦耦合技术用于将泵浦光耦合进入双包层光纤内包层的研究也逐渐展开。针对于双包层光纤的特点先后发展了多种侧面泵浦耦合技术。

Taper 耦合方式是通过锥导管把泵浦光导入双包层光纤，泵浦光的尺寸通常都较光纤纤芯大几个数量级，利用锥管双端结构尺寸的不同，小的一端与光纤熔接到一起，其尺寸与光纤内包层相同。较大的一端，尺寸与泵浦 LD 尾纤尺寸相同并把泵浦光通过较大尺寸一端输入，由导管自身的特性汇聚光束，从小尺寸一端导入光纤，最常见的锥导管是圆锥状结构，但是锥导管的制作工艺比较复杂。

侧面泵浦

1) 多模光纤熔锥侧面泵浦耦合方式熔融拉锥定向耦合器又被称作合束器。多模光纤熔融拉锥定向耦合是将多根裸光纤和去掉外包层的双包层光纤缠绕在一起，在高温火焰中加热使之熔化，同时在光纤两端拉伸光纤，使光纤熔融区成为锥形过渡段，能够将泵浦光由多模光纤输入经由双包层光纤侧面导入内包层，从而实现定向侧面耦合泵浦。

光纤定向耦合器主要用于光分路或者合路连接器，采用较为成熟的熔锥法生产，工艺较简单，制作周期短，适于实现微机控制的半自动化生产。但是，这种用于通讯的单模光纤定向耦合器是将一路或一路以上输入光信号按一定比例要求分配到两路或多路输出的光信号中去。其原理决定其只能进行对输入信号光功率分配，因此输出的信号光功率必定小于输入最大信号的光功率，因而无法用于实现光功率的扩展。由于在双包层光纤侧面耦合泵浦技术中，在锥形区耦合段需要将多模泵浦光纤的包层去除露出纤芯，同时双包层的外包层也要去除露出内包层，并且要使之能够融合在一起，因此其生产工艺较为复杂，虽然已有相关专利可供查询参考，但是最为重要的关键过程未见报导。

2) V 槽侧面泵浦耦合

在这种方式中，双包层光纤被剥去外包层，并粘合一块玻璃衬底，在裸露的内包层上刻蚀出一个 V 形沟槽(沟槽不触及纤芯)，泵浦光束经由 V 形沟槽的内反射面传送进入到内包层。为了使泵浦光聚焦到 V 沟槽的内反射面上，将使用一个微型透镜对泵浦光束进行聚焦。这种方式具有高的耦合效率，封装紧凑，可以双向泵浦，由于可以同时刻蚀多个 V 形沟槽，所以具有可扩展性，光纤尾端不会被堵塞，光在纤芯中传播的过程中不会引入光强度的损耗。激光二极管、聚焦透镜、双包层光纤，三者之间的距离对耦合效率的影响很大。在一种实现方式中，可以忽略微型聚焦透镜，这样可以显著降低安装的灵敏度;但是这样的方式将导致双向泵浦。粘合双包层光纤与衬底的粘合剂必须具有适合的光学和物理特性，以使得粘合稳固同时保证泵浦光能传送到内包层中。

为了提高耦合效率，V 槽侧面的面型要求能够对泵浦光全反，此外，还需在泵浦光入射的内包层一侧增加一层衬底，衬底材料的折射率应该与光纤内包层折射率相近，并且可以加镀增透膜。利用该侧面泵浦耦合技术的光线激光放大器可以得到数瓦的激光输出。该侧面泵浦耦合方式原理简单，但工艺加工要求却很高，因为 V 槽的侧面要作为反射面，要对其进行抛光等相应处理。加工的时候还要避免对于纤芯的破坏，因此，要确保槽的精细结构。此外，由于利用了微透镜准直，LD 泵浦源、微透镜以及双包层光纤的相对位置对于耦合效率的影响较大。

3) 嵌入反射镜式泵浦耦合

嵌入反射镜式泵浦耦合方式是在 V 槽侧面泵浦耦合方式上的改进。首先将双包层光纤的外包层去除一小部分，然后在内包层上刻蚀出一个小槽，槽的深度足够放入用来反射泵浦光的嵌入微反射镜，但是距纤芯还有一定距离，以保证不破坏纤芯。嵌入的微反射镜的反射面可以是平面或是根据优化设计的曲面，为了得到高的耦合效率，其反射面事先镀上了高反率的膜层，入射面镀了对泵浦光的增透膜。该技术中采用了光学胶用以将嵌入微反镜的出射面和光纤内包层粘接固定，同时光学胶还作为折射率匹配介质用来降低界面的反射损耗。

嵌入反射镜式泵浦耦合避免了 V 槽侧面泵浦耦合要求利用侧面作为反光面的方式，因此，对于槽的加工要求大大降低，但是仍要保证槽深不能破坏纤芯。

光纤放大器一般由种子源、抽运源、增益介质光纤、光隔离器及耦合系统等部分组成。双包层光纤放大器的独特之处在于其增益介质为双包层光纤，由掺杂纤芯、内包层、外包层、保护层4 部分组成，与常规光纤相比，多了一个可以传输抽运光的内包层。纤芯由掺稀土元素的SiO2 构成，它作为产生激光的波导，一般情况下是单模的;内包层由横向尺寸和数值孔径都比纤芯大得多、折射率比纤芯小的SiO2构成，是抽运光通道，对抽运光波长来说是多模的，用以传输高功率的抽运光。抽运光从一端通过耦合系统进入双包层光纤，在内包层传输过程中，以折射方式反复穿越纤芯，被掺杂离子吸收，形成粒子数反转以实现增益;信号光在另一端耦合进入纤芯，最终获得高功率、光束质量好的放大激光输出。

双包层光纤放大器采用的是行波放大的原理。纤芯中的掺稀土离子在抽运光作用下，处于粒子数反转状态，当信号光通过纤芯时，由于信号光频率与双包层光纤的增益谱线相重合，故激发态上的粒子在外来信号光的作用下产生受激辐射，这种辐射叠加到外来信号光上而得到放大。

单频、高功率激光在激光雷达、光谱学、精密测量等领域有非常广泛的应用。与其他获得单频、高功率激光的方法(如传统的行波放大、注入锁定)相比，光纤放大具有体积小、结构简单、可控性和输出频谱特性好等优点。随着包层抽运技术的出现，单频光纤放大器的转换效率得到大幅度提高，在高功率和光频特性良好的激光束方面因其独特的优势而成为人们研究的热点。

国外在单频光纤放大器方面的工作开展较早，并已取得显著的成绩。1999 年汉诺威激光中心的Zawischa I 等利用掺N光纤放大获得了波长1064 nm、功率5.5 W 的单频输出，光原光转换效率为35%。其种子源为单块非平面环形腔激光器(NPRO)，输出功率750 mW。双包层光纤芯径为11依1 mm，数值孔径(NA)0.11;内包层直径为400 mm，NA0.38。光纤长30 m，并缠绕在直径为22cm 的圆盘上，以抑制高阶模式，获得单模输出。

2003 年，德国Liem A 等[2]报道了利用掺Yb3+光纤放大获得了100 W 的单频输出。采用大模场面积(LMA)双包层光纤，芯径30mm，NA0.06;内包层为D 型，直径400 mm，NA0.38，光纤长度为9.4m。以NPRO 为种子源，其最高输出功率为1.6 W，光束质量因子M2 约1.1，线宽2~3 kHz，波长1064 nm。当入纤抽运光为175W，信号光为1.6 W时，实验获得100 W 的单频输出，光原光转换效率为63%。

作为当今光电信息领域较前沿的方向之一，脉冲双包层光纤放大器日益成为国际上研究的热点。国外主要有英国的南安普顿大学光电研究中心、德国耶拿大学应用物理研究所、美国密歇根州大学和美国的IPG等对此进行了相关研究。在国内，脉冲双包层光纤放大器的研究起步较晚，主要的研究单位有中科院上海光机所、清华大学、中国电子科技集团第十一所和中科院西安光机所等。上海光机所、中国电子科技第十一所和清华大学对MOPA 方式的脉冲光纤放大器进行了理论和实验研究，并取得了重要进展。

2002 年，德国Limpert J 等报道了利用MOPA 技术获得纳秒脉冲的方法。以调Q Nd:YAG 薄片激光器作种子源，平均功率为6W，重复频率3~50 kHz，脉冲宽度70~300 ns，最大单脉冲能量0.6mJ。所用光纤是长25 m 的大模场面积(LMA)光纤，纤芯直径30mm，NA0.06;内包层为D 型，直径400 mm，NA0.38。抽运源为中心波长976 nm 的半导体激光器(LD)，通过一45毅双色片将抽运光从双包层光纤的一端耦合进入双包层光纤的内包层，种子光从另一端耦合进入双包层光纤的纤芯。采用上述方法，在1064 nm 处实现了最大平均功率100 W 的激光输出，光原光转换效率为71%，重复频率50 kHz，单脉冲能量2mJ，脉冲宽度80 ns，脉冲占空比为4伊10-3。重复频率为3 kHz时，单脉冲能量4 mJ，脉宽压缩为50 ns。2005 年4 月，上海光机所以4 m长的国产高掺杂浓度掺Yb3+双包层光纤(纤芯43 mm，NA0.08;D 形内包层650 mm/600mm，NA0.38，Yb3 +掺杂浓度为0.65%)作为放大介质，以调Q 脉冲激光器作为种子源(最大输出平均功率为1 W，频率20耀100kHz 可调，波长在1064 nm)，在种子光功率为1 W 左右时，获得高功率放大脉冲激光输出[4]。实验装置如图2 所示。在重复频率为100 kHz 时，测得放大脉冲激光的平均功率最高达133.8 W，脉冲宽度400 ns，脉冲占空比为4伊10-2，斜率效率为56%，光原光转换效率53%。重复频率在20耀100 kHz 可调，在60 kHz 重复频率时，典型的脉冲宽度为30 ns。

2005 年，美国密歇根州大学以单模LD 为种子光源，采用多级光纤放大的方式，获得了高脉冲能量的光纤激光输出。重复频率小于100 Hz，脉宽500 ns 时的脉冲能量高达82 mJ，脉冲占空比为5伊10-5;脉宽50 ns 时，脉冲能量为27 mJ (对应的重复频率为25 Hz);脉宽4 ns 时，脉冲能量为9.6 mJ。前两级为常规单模光纤放大，第三级为预放，采用大模场直径的多模光纤(纤芯50 mm，NA0.06;六角形内包层350 mm，NA0.45)，1064 nm 的小信号增益达27 dB。最后一级功率放大所用的是粗芯双包层光纤，纤芯直径达200 mm(但掺杂直径为100 mm)，NA0.062，内包层为八角形，尺寸600 mm，NA0.46，光纤长度为3.5 m。除纳秒级脉冲光纤放大器外，国内外研究机构也对皮秒级脉冲光纤放大器的研制做了有益探索，并取得了突破性进展。2006年，英国南安普顿大学光电研究中心以增益可调的单纵模LD 为种子源，采用四级光纤放大方式，在1064 nm 处获得了平均功率超过300 W 的脉冲激光输出，脉宽20 ps，脉冲占空比为2伊10-2，M2为2.4。这是迄今为止国内外报道的功率最高的皮秒级脉冲光纤放大器。种子源为增益可调的单纵模LD，重复频率为1 GHz，能产生波长1060 nm，脉宽为56 ps 的脉冲。种子源由一个连续分布反馈式(DFB)光纤激光器驱动，使之维持单纵模运转。

通过一个啁啾光纤布拉格光栅(CFBG)，脉宽被压缩为20 ps。前三级为常规单模光纤预放，最后一级功率放大所用的是粗芯双包层光纤， 纤芯直径43 mm，NA0.09，内包层为D 形，尺寸650mm/600 mm，光纤长度为8 m。光纤两端都磨抛成10毅的倾斜角，以抑制放大的自发辐射(ASE)。同国外报道结果相比，我国的脉冲光纤激光研究同国际水平已经接近，在某些技术指标上已经居于领先水平;但在最高峰值功率方面还有较大差别。尤其在低重复频率的脉冲激光实验中，由于他们采用了200 mm 纤芯的放大光纤，纤芯面积增大，激光损伤阈值提高，因而可承受和提供更高的峰值激光功率。但在重复频率相近的高重频方面，国内的峰值功率水平和国外相差不大。