1 引言
光纖構型的激光介質具有大的體面積，有利于介質散熱，具有近衍射極限的光束質量，可實現(xiàn)全光纖化設計，系統(tǒng)結構簡單，轉換效率高，具有小型化、輕量化優(yōu)勢，易于滿足工業(yè)加工、醫(yī)療應用需求。隨著雙包層摻鐿光纖和半導體激光器(LD)的發(fā)展，光纖激光器的輸出功率得到了迅速的提高。對于1070 nm 波段的摻鐿光纖激光器，目前通用的抽運源為915 nm 或976 nm 波段的半導體激光器(LD)。然而LD 的亮度不高，且915 nm或976 nm激光抽運摻鐿光纖時具有較高的量子虧損，導致其熱效應非常嚴重。相對于LD，1018 nm光纖激光具有極高的亮度，作為摻鐿光纖抽運源可極大提升注入抽運功率水平以及改善增益光纖的熱效應。2009 年，IPG 公司采用多路1018 nm 光纖激光抽運摻鐿光纖實現(xiàn)了單纖單模萬瓦輸出。摻鐿光纖在1018 nm 波段的發(fā)射截面很小，在1018 nm 實現(xiàn)激光輸出時自發(fā)輻射(ASE)會比較嚴重，且容易出現(xiàn)其他波段的自激現(xiàn)象，因此，這方面報道的文章并不是很多。雖然在2009 年IPG 公司就實現(xiàn)了270W 的1018nm 激光輸出，但未進行公開報道。在國內，2011 年，Li 等報道了7.5 W 的1018 nm 光纖激光器， 斜率效率約為16%。2013 年，王一礡等采用15/130 μm 的雙包層摻鐿光纖獲得了22.8 W 的1018 nm 光纖激光，光光轉換效率為62.8%。2013年，Xiao等采用30/250 μm 的雙包層摻鐿光纖實現(xiàn)了309 W 的1018 nm 激光輸出。
本文實驗研究了增益光纖長度、光纖布拉格光柵的反射率以及增益光纖的芯包比等參數(shù)對1018 nm 激光性能的影響，并基于15/130 μm 的國產雙包層摻鐿光纖，獲得了155 W 的1018 nm 激光輸出，光光轉換效率為71%。
2 實驗原理及裝置
1018 nm 激光實驗系統(tǒng)結構如圖1 所示，整個系統(tǒng)采用全光纖結構，采用一對光纖布拉格光柵作為諧振腔振蕩，抽運源采用976 nm 的LD，采用光纖合束器將抽運光耦合至增益光纖。光纖布拉格光柵中心波長位于1018 nm，高反光柵(HR)反射率大于99%，低反光柵(OC)反射率為10%或16%。增益光纖采用Nufern 公司10/130 μm 和國產15/130 μm 雙包層摻鐿光纖(YDF)，纖芯/包層數(shù)值孔徑均為0.07/0.46。包層模剝離器(CPS)用來剝離剩余的抽運光。輸出端切8°角用來防止端面的回光。
3 實驗結果與討論
3.1 增益光纖長度對1018 nm 激光性能的影響
實驗中，采用纖芯/包層直徑大小為10/130 μm 的雙包層摻鐿光纖(YDF1)作為增益介質，利用一對中心波長位于1018 nm，反射率分別為99%和10%的光纖布拉格光柵作為諧振腔，將抽運光注入增益光纖后測試了YDF1在不同長度下的光譜特性，1018 nm 光纖激光器在不同YDF1長度下的輸出光譜如圖2所示。從圖2(a)中可以看出，當YDF1長度為8 m 時，摻鐿光纖未實現(xiàn)1018 nm 激光輸出，且在1050~1070 nm 存在兩個自激振蕩峰。將YDF1 長度減短至3 m 后，從圖2(b)中可以明顯的看出，在1018 nm 激光輸出的同時，1033 nm 波段也有自激振蕩產生。從圖2(c)中可以看出，當YDF1長度為2 m 時，在獲得1018 nm 激光的同時自激振蕩也得到了有效的抑制。
以上現(xiàn)象可以這樣解釋：對于石英基摻鐿光纖，一般來說，Yb3+的發(fā)射峰值位于1030 nm 左右，而Yb3+在1018 nm 波段的吸收截面要遠遠高于1030~1070 nm。因此，1018 nm 波段的小信號增益要遠遠低于1030~1070 nm 波段，雖然在實驗中采用了一對中心波長位于1018 nm 的光纖布拉格光柵作為諧振腔，即使光纖布拉格光柵在1030~1070 nm 波段沒有反射，但是由于光纖端面或熔接點處會存在菲涅耳反射和瑞利散射，如果光纖長度過長，自發(fā)輻射增益增強，1018 nm 激光與自發(fā)輻射在增益競爭中會處于不利的地位。所以在實驗中當YDF1 長度過長時只有自激振蕩輸出而沒有1018 nm 激光輸出，當YDF1 光纖長度縮短后獲得了1018 nm 激光輸出。實驗結果表明，對于雙包層摻鐿光纖，可通過減小光纖長度使短波長激光獲得更大增益，進而獲得1018 nm 激光輸出。
