高功率光子晶体光纤激光器实验研究

　　激光输出功率和光束质量是衡量高功率光纤激光器的两个重要指标,对于常规光纤激光器来说,为获得单模输出,一般要选择纤径较小的增益光纤。在高功率状态下,小芯径光纤承受较高的光功率密度,但由于光纤的非线性、热光损伤等问题,使得光纤激光器输出功率的大幅度提高面临很大的困难[1-6]。光子晶体光纤(PCF)的出现,为提高光纤激光器的输出功率带来了新的曙光。首先,PCF可实现大模场面积[7],现在商用PCF的模场面积已达到1 000μm2;其次,PCF还可利用较高的稀土掺杂浓度实现对泵浦光较高的吸收系数,这样可以利用较短的光纤研制高功率PCF激光器,减小高功率状态下光纤的非线性效应。我们使用了吸收系数为13 dB/m的商用PCF(Crystal Fiber, DC-170-40-Yb),光纤长度2 m,实现了103 W的功率输出[8]。另一方面,由于量子亏损和无辐射跃迁等效应的存在,在高功率泵浦条件下,高吸收系数光纤会产生大量的热,光纤泵浦端的热损伤问题会很严重,因此有必要适当选择光纤的吸收系数。

　　本文首先从光纤稳态热传导方程出发,理论分析了一定泵浦功率条件下,不同光纤吸收系数对应的光纤纵向温度分布情况,结果表明,低吸收系数光纤泵浦端温度相对较低,分布较为平缓,有效减缓光纤的热损伤。因此,我们选用了吸收系数为1.45 dB/m的掺Yb3+PCF(Crystal Fiber, DC-20-400-Yb)作为增益介质,进行了高功率光纤激光实验,并对光纤表面温度进行了实时测量。

　　1　光纤吸收系数对光纤激光器沿光纤长度方向温度分布的影响

　　光纤激光器稳定输出时,光纤的温度分布由热传导方程决定[9-10]

式中:T(r,z)为光纤中的温度分布;Q(z)为热密度;k为导热系数;α为泵浦光吸收系数;P0为吸收泵浦光功率;λp和λs分别为泵浦光和信号光波长;Tc为环境温度;h为传热系数。

　　在高功率状态下,纤芯中由于Yb3+吸收泵浦光产生热,因此Q(z)≠0,而内包层和外包层中不存在热源,故认为包层中Q(z)=0。另外,由于光纤直径远小于光纤长度,光纤纵向散热量远小于侧面散热量,因此式(1)中 2T(r,z)/ 2z项可忽略。若仅考虑量子亏损发热,光纤中的热密度分布方程(2)和泵浦光在光纤中的吸收分布方程形式相同。假设泵浦光除转换为信号光外,剩余功率全部转换为热能,利用关系式(1)~(3)和牛顿冷却定律

可得到光纤的纤芯温度分布[11

式中:a和b分别为纤芯与包层的直径。

　　在光纤横向端面上,PCF具有与普通双包层光纤不同的微结构,在其内包层中分布有微空气孔阵列,光纤的横向热分布不同于普通双包层光纤。但在光纤纵向(沿光纤长度方向),纤芯的热分布主要与泵浦光沿光纤纵向的功率分布有关,因此与普通双包层光纤具有相似的纵向热分布,纤芯温度分布可用方程(5)进行描述。