摘要：研究光纤放大器的耦合效率以及影响输出功率的因素.抽运源为光纤输出976 nm的半导体激光器，增益光纤为长4．4m的D型掺Yb3+双包层光纤,信号源为自行研制的单块非平面环形腔激光器．抽运光的耦合效率为80％，信号光的耦合效率为44％，入纤抽运光功率为24W，信号光功率为200mW时，得到了6.65W的净输出功率．放大倍数达到33倍．分别对信号光及放大输出的频谱进行测量，结果为1 064 nm的单频放大.实验表明，信号光对放大增益的抽取非常重要,在此实验中信号光尚未饱和，放大功率仍有提高的余地.
关键词:二极管抽运;双包层光纤；单频放大
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、可控制性和输出频谱特性好等优点．随着包层抽运技术的出现，光纤放大器的转换效率得到大幅度提高，因此在获得高功率光频特性良好的激光方面，光纤放大器因其独特的优点而成为人们研究的热点。 S．Hoffer等人利用长为9m的掺Yb3+双包层光纤进行1 064 nm光纤放大实验，当抽运光功率为100 W，信号光功率为0．5W时,获得了20．1W的单频输出，斜效率为38％.后来又对双包层光纤放大技术做进一步的实验研究，当光纤长度为9．4 m，抽运光功率为250 W，信号光功率为1．6 W时，获得了100 W的单频输出，斜效率为70％.
作者对单频放大器进行研究，获得单频放大输出，输出功率为0．9 W，进一步改进信号光的耦合及采用较长的增益光纤后，得到的单频放大输出功率为6.65W．
1 实验装置
实验装置如图l所示，整个装置由抽运源、信号源、增益光纤、耦合系统等部分组成．抽运源为中心波长976 nm的光纤输出半导体激光器.增益光纤采用D型掺Yb3+双包层光纤(DCF)，光纤的纤芯掺Yb3+离子，是信号光的传输波导．内包层是纤芯外围的多模光纤传输波导，其横截面和数值孔径均比纤芯的大．
LD抽运光从一端经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。同时信号光在另一端被耦合进入纤芯．经过放大的激光最终在抽运光的输入端经双色镜(DM)输出D型结构的优点是提高抽运光的吸收效率．信号源为自行研制的单块非平面环形腔激光器(NPRO)，它具有结构简单稳固、频率和功率噪声小、容易调节、效率高、单频性好等优点，其最高输出功率为1．2 W，光束质量因子M2=1．06实验中隔离器的用途是为了抑制返回的信号光及穿越光纤后剩余的抽运光对NPRO输出频率特性的影响.为了避免光纤自身形成振荡器，将光纤端面磨成8°斜面．双色镜对976 nm抽运光的透射比为65％．对1 064 nm信号光的反射比为98％，能够将光纤内经过放大后的信号光耦合输出．
抽运源的输出光纤芯直径为400μm，数值孔径为0．22；DCF内包层芯直径为400 μm(圆缺处为340μm)，数值孔径0．37．为了提高抽运光的吸收效率和耦合效率，选择焦距f3=30 mm，f4=40 mm两个透镜，实现4：3的光斑压缩比．NPRO输出激光的光腰半径ω0=70 μm，M2=1．06，按高斯光束进行耦合计算，DCF纤芯半径为15 μm，数值孔径为0．06，选择焦距f1=120 mm，f2=20 mm两个透镜，且NPRO的光腰位于f1的焦点处，DCF的端面位于f2的焦点处，经过透镜变换后的光腰半径ω＇0=11．6μm，与DCF中的模场半径11．6 μm相等，实现了模式匹配.
2 实验结果
在放大信号的输出端放置一个1 064 nm窄带干涉滤光片，其透射比为82％，带宽为10 nm，实验测得该滤光片对976 nm抽运光的透射比为0．抽运光的耦合效率为80％．信号光的耦合效率为44％．在控制LD温度27．7℃情况下，分别调节抽运光及信号光的功率，得到的在不同抽运功率(Pp)和信号光功率(Ps)(Ps=200 mW，Ps=85 mW)下的功率放大输出Po曲线如图2所示.此处的抽运功率、信号功率均为入纤功率，当Pp=24 W，Ps=200 mW时，实验获得了6．65 W的净功率输出．同样，当Pp=24W，Ps=85 mW时，实验获得了5．73 W的净功率输出．对比在不同信号光功率下的放大输出曲线可以发现，提升信号光的功率对于放大结果的
影响远比提升抽运光功率对放大结果的影响显著．这是由于实验所采用的增益光纤过短，相当多的抽运光未被吸收便从光纤的另一端输出，光纤内的抽运光接近于饱和状态．实验中，信号光尚未达到饱和状态，在此基础上信号光仍有提升的余地.
将双包层光纤绕在直径为20 cm的圆盘上。利用光纤的弯曲损耗抑制其高阶模式(该双包层光纤V=5v)，用F-P频谱分析仪测其频谱特性，频谱仪的自由光谱区(FSR)频率为15 GHz图3a为信号光放大前的频谱图．信号光放大后，6．24 W时的输出频谱图如图3b所示．实验中观察到，与NPRO的频谱相比，除幅度有所增加外，其频谱几乎无变化，仍保持单频特性.
图4为抽运功率为26 W，放大器输出功率为7．1 W时的输出频谱图，此时输出激光的稳定性变差．其原因是由于实验中的双包层增益光纤过短，抽运光未被吸收便从另一端漏出，经反射镜后反射到NPRO,引起单块晶体发热所致.
3 结论
实验利用4．4 m的D型双包层光纤实现了波长为1 064 nm激光的单频放大，在入纤抽运功率为24w,信号光功率为200 mW时得到了6．65 W的功率输出．实验中所采用的增益光纤仍稍短，影响了放大功率的提高，此外，信号光的耦合效率也是制约光纤放大功率提高的另一重要因素．目前作者正在采用长光纤和信号光的耦合做进一步的实验研究，以获得更高的功率输出．
