白皮书
稀土掺杂光纤助力近红外激光器和放大器发展
基于掺杂稀土元素的特种光纤的激光器和激光系统代表了近年来最成功的两用光子技术之一，其应用范围包括电动汽车中“难处理”金属的焊接、精确激光瞄准和医疗器械切割。 在本文档中，我们将介绍一些在完整的光纤激光系统中发挥重要作用的特种光纤选项。
稀土使近红外激光操作成为可能
含有稀土元素正离子的掺杂材料，例如镱 (Yb)、钕 (Nd)、钬 (Ho)、铥 (Tm) 和铒 (Er)，可提供近红外 (NIR) 1-2 微米波长区域的输出。 这个操作范围很有用，因为许多材料在个范围内有很强的吸收能力，可以实现高效的材料加工应用，包括钻孔、切割、焊接和打标。 此外，水在 1400 nm 左右的波长处开始吸收强光，这使得波长比这更长的波可用于医疗（例如，外科消融）应用，同时实现远程光纤传输。 由于水的这种吸收性，1400 nm 通常被认为是人眼安全激光的截止波长；波长更长的波可以安全地被眼睛外部的水吸收，不会穿透到视网膜上。 这使得这些不可见的波长在诸如激光雷达成像和测距等应用中非常有用。 也可以使用非线性光学晶体将激光波长转移到可见光或紫外光的波长。
光纤激光器避免了热管理问题
虽然这些离子可以掺杂到各种晶体和玻璃材料中，但如今大多数激光应用都采用光纤激光形式，即把离子掺杂到石英玻璃光纤中。 除了提供机械稳定性外，与自由空间光学器件相比，光纤激光器不存在棒状和板状等散装形式的散热问题。 这使得光纤激光器的输出功率可以从瓦级扩展到 10 千瓦级以上。 它们的宽功率范围是这些激光器应用多样化的一个关键原因。
图 1： 放大光纤激光系统的主要元件。
图 1 示意图说明了放大光纤激光系统的主要元件。 增益介质是掺杂有稀土元素正离子（例如 Nd、Er、Yb、Tm 或 Ho）的有源光纤。 这些元件由半导体激光器直接泵浦，实现了紧凑和高效的激光系统。 其他关键元件包括有源（掺杂）光纤的额外长度，充当放大级光学隔离器以防止有害后向反射，以及充当腔镜的光纤布拉格光栅，以支持激光震荡、产生谐波或转换波长的晶体，以及无源传输光纤。
稀土掺杂选项
玻璃（二氧化硅）纤维可以掺杂几种不同稀土元素的离子。 相干公司提供全面的掺杂和选项，因为最佳选择取决于所需的波长、功率水平和脉冲参数。 图 2 总结了五种常用的稀土离子 Nd、Er、Yb、Tm 或 Ho 的波长特性： 包括发射波长和必要的泵浦波长。 Yb 在超短脉冲 (USP) 激光器中越来越受欢迎，因为它相对较宽的发射带宽支持脉冲短至 50 飞秒的锁模光纤激光器和脉冲仅几百飞秒 (fs) 的放大（即高功率）系统。
图 2： 五种常用的稀土离子 Nd、Er、Yb、Tm 和 Ho 的波长特性。 红色曲线表示光纤中使用的玻璃主体的衰减情况。
相干公司还提供同时掺杂 Er 和 Yb 的特种光纤。 Er 作为增益介质，根据掺杂浓度在 1550 nm 左右发射。 Yb 作为光吸收剂，防止 1 微米左右不必要的放大自发辐射，确保激光系统对人眼完全安全。
稀土掺杂光纤还可以额外掺杂“改性剂”元素，例如铝 (Al)、锗 (Ge) 或磷 (P)。 这些元素主要用于操控光纤的折射率，从而使数值孔径 (NA) 能够在某种程度上独立于光纤的芯径进行修改。 NA 定义了从光纤发出的光的扩散角，以及光可以聚焦到光纤中的角度范围。 这很重要，因为它通常是下游光学器件如何聚焦或投射激光的限制因素。
多样的光纤选择
与其他光纤一样，稀土掺杂有源光纤也根据其纤芯和包层的光学细节决定的传输模式进行分类。
纤芯： 纤芯的直径范围为 10-200 微米，周围环绕着折射率稍低的玻璃包层。 由于全内反射，这种结构将光限制在光纤内，并且只有纤芯掺杂了稀土离子。 大多数光纤都可以归为以下三种类型之一： 单模 (SM)、多模 (MM) 和大面积模 (LMA）。 SM 光纤具有最小直径的内芯，因此只有一种传输模式，这通常非常理想，因为它会产生具有最佳聚焦能力的输出光束，即聚焦到最小的光斑。 MM 光纤是第二种常见的光纤类型，支持大约 1000 种不同的传输模式。 它支持更高的功率输出，但光束可聚焦性较差，主要用于处理来自二极管的泵浦光。 LMA 光纤是用于超高功率系统的重要细分类型。
熔覆：掺杂光纤可提供两种不同的熔覆选项。 最简单的形式称为单包层光纤，其中纤芯的折射率略高于被折射率聚合物的保护涂层包围的包层。 在双包层光纤中，内包层被一层低折射率聚合物的涂层包围。 双包层光纤通过允许更高的输入泵浦功率和增强泵浦光与纤芯中活性稀土离子之间的相互作用，来提高纤芯吸收光的能力。 相干公司还提供支持大多数光纤互连系统和半导体激光功率传输系统的三包层光纤，并在基于太空的应用中提供抗辐射技术。
图 3： 两种最常用的包层选项是单包层和双包层。
全系列特种光纤选项
总而言之，稀土掺杂光纤作为相干公司的标准产品，有五种不同的稀土离子可供选择： Nd、Er、Yb、Tm 或 Ho。它们有单模 (SM)、多模 (MM) 和大面积模 (LMA) 光纤可供选择，在数值孔径 (NA) 和芯径方面也有多种选择。 此外，完整的产品线包括单包层、双包层和三包层光纤。 这总共包括数千种不同标准的掺杂光纤。 OEM 系统构建商还可以与相干公司合作，为自定义应用定义光纤规格。
在严苛环境中提供卓越的性能
相干公司稀土掺杂光纤在宽功率范围内是激光和激光放大器应用的理想选择。 例如，我们的高质量光纤消除了光纤放大器功率调节中的两个众所周知的挑战： 受激拉曼散射 (SRS) 和横模不稳定性 (TMI)。 它们具有高模式质量、出色的泵浦光吸收、长寿命和极低的光暗化等特点。 因此，即使在要求严苛的工业、医疗、太空和激光雷达应用中，它们也能可靠的长时间运行。
垂直整合 – 从元件到完整的激光系统
相干公司是一家垂直整合的光子学公司，生产全系列的有源和无源光学器件和元件、激光器和基于激光的完整机器。 首先是出色的半导体激光器产品，包括使用我们自己的 VBG 滤波器的 VBG 锁定二极管。 我们还生产光纤布拉格光栅 (FBG)、光学隔离器和旋转器，以及无源光束传输光纤。 我们甚至在美国的工厂中生产我们自己的非线性晶体。 事实上，仅从我们在美国采购的元件就涵盖了从半导体到国内生产的晶体，再到光纤、激光器和光学器件。 总之，这意味着相干公司现在是美国的大型国产激光器、窗口和泵浦二极管生产商。 除了提供所有这些关键的独立元件外，相干公司还拥有数十年作为激光子系统和完整系统供应商的经验。 因此，如果您的任何激光系统应用基于稀土掺杂光纤，相干公司都可以为您提供所需的精准整合服务，不仅可以成功执行具有成本效益的项目，而且每次都能获得超出预期的结果。