正如塊體固態(tài)激光器一樣，從使用摻雜玻璃到使用摻雜單晶增益介質(zhì)的轉(zhuǎn)變，是提升單臺光纖激光器輸出功率的重要一步。出于這個(gè)原因，單晶光纖（SCF）正處于緊鑼密鼓的發(fā)展?fàn)顟B(tài)。目前市場上已經(jīng)存在各種構(gòu)造，包括使用無粘合劑粘合形成的晶體包層晶體光纖（難以制造，因此不適合大規(guī)模生產(chǎn)）、玻璃包層晶體光纖（由于玻璃包層的熱絕緣性能，因此不適合功率提升）和無包層SCF（非常適合于研究應(yīng)用，但若要適合更廣泛的應(yīng)用，還需要合適的包層沉積技術(shù)）。
先前測試的無包層 SCF 配置，包括具有 1mm 或更小直徑的短（長度30~60mm）泛光照明晶體棒，其中泵浦光由于全內(nèi)反射而被約束在棒內(nèi)，但輸出激光本身的模式結(jié)構(gòu)僅由腔鏡所確定。換句話說，SCF 沒有起到激光波導(dǎo)的作用，相比光纖激光器更像塊體激光器。
相比之下，最近由美國陸軍研究實(shí)驗(yàn)室（ARL）和美國Shasta Crystals 公司的研究人員，聯(lián)合開發(fā)和測試的更長且更薄的二極管泵浦無包層摻鐿 YAG（Yb ：YAG）晶體激光器，已經(jīng)展示了純波導(dǎo)激光器運(yùn)行模式（見圖1）。該SCF由Shasta Crystals公司制造，直徑為100μm，長度為 100mm，摻雜濃度為 1%，使用激光加熱基座生長（LHPG）技術(shù)，具有適用于大規(guī)模生產(chǎn) SCF 的潛力（盡管將需要開發(fā)可大規(guī)模生產(chǎn)的晶體包層沉積方法）。該光纖使得 SCF的實(shí)驗(yàn)和優(yōu)化成為可能。
高轉(zhuǎn)換效率
在實(shí)驗(yàn)裝置中，SCF 的非減反涂覆部分夾在兩片激光腔鏡之間，來自線偏振激光二極管的發(fā)射波長為969nm、帶寬為 3nm 的激光，聚焦在光纖的一端上，通過后（二向色）腔鏡進(jìn)入光纖。光纖松弛地放置在 V 形槽中，以使其具有最小的物理接觸，而凸透鏡準(zhǔn)直激光器的輸出。一片會聚透鏡、激光線濾光片以及激光功率計(jì)，用于收集有關(guān)激光輸出的數(shù)據(jù)。由于考慮到對光波導(dǎo)會產(chǎn)生不利影響，所以沒有使用導(dǎo)熱脂從光纖吸熱，二極管泵浦以 1% 占空比的準(zhǔn)連續(xù)波（QCW）模式工作，以保持光纖冷卻。1ms 的泵浦脈沖長度與 YAG中 Yb3+ 的上激光能級壽命在同一量級上，因此實(shí)驗(yàn)結(jié)果代表了CW運(yùn)行，只是在降低的熱負(fù)荷下。
研究人員嘗試了從18%~70%的各種輸出鏡反射率，發(fā)現(xiàn)最佳反射率為25%。使用91.6W的QCW泵浦輸入（由于1% 的占空比，平均值略低于1W），QCW激光輸出功率在1030nm 波長處約為 53W，這表明光纖激光器即使在未經(jīng)優(yōu)化的實(shí)驗(yàn)配置中也有效。
對于SCF參數(shù)本身，Shasta Crystals 公司總裁兼首席執(zhí)行官Giselle Maxwell 解釋說，1%的摻雜水平是通過光譜研究確定的，以幫助決定什么濃度將提供最佳的激光發(fā)射條件 ；通過相同的光譜研究來確定晶體的長度，以確定對于一定濃度的摻雜離子，晶體應(yīng)該是多長、以實(shí)現(xiàn)泵浦光束的最大吸收，以及晶體中最有效的激光作用 ；并且晶體直徑根據(jù)用戶的便利性和期望什么效果來確定（更小的直徑獲得更好的光波導(dǎo)）。
“我們的下一步工作將是改進(jìn)包層技術(shù)（主要是包層的厚度），以提供真正的全晶體雙包層單晶光纖，因?yàn)楦纳频膶?dǎo)熱屬性，其性能將勝過任何雙包層玻璃光纖。”Maxwell指出。
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