1.4本文主要研究内容

本文首先介绍了国内外掺Tm光纤激光器发展的现状，简单描述光纤激光器功率提升的主要因素，并从泵浦源、增益介质、谐振腔三部分简述光纤激光器的工作原理。主要研究提高掺Tm增益光纤端面耦合传输效率以及获得高功率连续波输出。在泵浦源方面使用百瓦级LD激光泵浦源，增益光纤使用2.5 m截面为正八边形的掺Tm光纤，而形成谐振腔产生激光则是利用两个光纤光栅，光栅输出端反射率10%，另一端反射率为98%，它的功能类似于镀膜镜片，输出波长为1907.3 nm。为了实现掺Tm光纤激光器的高功率连续运转，一般需要解决半导体激光器输出的低光束质量泵浦光到增益光纤包层的高效耦合问题，以及增益光纤的热管理问题。本课题主要研究全光纤激光器如何获得高功率连续波输出以及较高的斜率效率，主要对比泵浦源功率对激光器输出效率是否存在线性关系以及增益光纤长度对输出功率的影响。因此在泵浦光的输入端部，只采用了水冷金属热沉散热以热管理问题而不对LD激光器使用透镜进行光束整形来获得高光束质量。

1.5本文主要创新点

（1）使用2.5 m长掺Tm增益光纤，波长吸收效率达到90%，不会产生自激振荡。

（2）增益介质使用掺Tm截面为正八边形的光纤，接近圆形减小损耗。

（3）采用FBG代替腔镜构成谐振腔，避免了因为光发散造成的功率损耗。（4） 光纤激光器输出的连续波线宽极窄约0.5 nm，中心波长约为1907.3 nm。

（5）输出最高功率达到46.4 W。斜率效率为36.3%。

（6）全光纤采用8°切割角切割并熔接涂胶的耦合方式，耦合效率达到90%以上，而使用透镜进行光束整形的耦合效率为70%左右。

2 光纤激光器的构成

2.1 泵浦源

对于光纤激光器来说，因为光纤通常情况下很长，根据公式：

∫_0^L▒GdZ=∫_0^L▒[N_u （Z） σ_ul （v）-N_l （Z） σ_lu （v）]dZ           （2-1）

式中，σ_ul 和 σ_lu 分别是频率v处的散射和吸收截面；L是光纤总长。可以得到光纤长度越长，那它的增益就会越高，这样的光纤激光器对泵浦源的要求就会降低很多，半导体激光器作为泵浦源有了用武之地，所以目前最主要的泵浦源就是半导体激光器，也称二极管激光器，而所要求泵浦源的波长则取决于增益光纤内掺稀土离子的种类，同时稀土离子的辐射谱线又决定了输出波长的调谐范围，稀土离子是铒的增益光纤使用980 nm或者1480 nm的泵浦源，稀土离子是镱的增益光纤一般要求泵浦源波长为915 nm或者976 nm，实验所用的掺Tm光纤使用的是793 nm的泵浦源。半导体激光器因为体积、寿命、电光效率这些方面的优点成为了目前最常见的激光器。然而它的光束呈椭圆形，而且因为象散、发散角过大等原因一般需要进行光束整形，由于实验使用的半导体激光器尾纤可以直接与合束器、掺Tm增益光纤、FBG光纤光栅尾纤进行熔接，在不考虑光束质量的前提下，熔接损耗的功率小于进行光束整形的损耗功率，所以只为了追求更高的输出功率，实验决定不采取光束整形工作。激射波长和光功率一般都随驱动电流变化。实验使用半导体激光器作为泵浦源，将3个相同规格的半导体激光器利用合束器合并输出，最高输出功率为300 W，最高驱动电流35 A。但是就光束整形有利于提高光束质量这一点，为了对光纤激光器功率和光束质量进行优化提高，我们在这里也具体介绍一下光束整形设计。

硅基掺铥光纤内包层有八边形的横截面，平边对平边的直径为400 μm，但是因为纤芯外覆盖一层低反射指数聚合物包层致使光纤总直径一般为460 μm，对波长790 nm的激光吸收系数测量值为2.7 dB/m，光纤核心直径是25 μm，数值孔径0.09。这种结构被称为大模型光纤，可以减弱不想要的非线性过程，避免灾难性的后果。