泵浦光源（簡(jiǎn)稱泵源）作為光纖激光器的核心器件，對(duì)激光器的功能和性能無(wú)疑都有著至關(guān)重要的決定性作用。許多初接觸激光或非激光專業(yè)技術(shù)人員對(duì)泵源這一器件尚不算深入了解，因此對(duì)這一器件的疑問(wèn)也比較多。今天飛博激光將通過(guò)問(wèn)答形式向非專業(yè)人士科普泵源的幾個(gè)相關(guān)知識(shí)。
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問(wèn)題1 ??目前1μm光纖激光器泵浦光源有哪些？
飛博激光高級(jí)研發(fā)人員答：
1962年，H.W.Etzel等人成功研制出第1臺(tái)摻鐿離子(Yb3+)的光纖激光器，即目前最常見的1μm波長(zhǎng)（1.064μm/1.080μm）光纖激光器?2004 年，南安普敦大學(xué)的 Jeong 等利用975nm LD 雙端泵浦纖芯直徑 43μm的雙包層摻鐿光纖，產(chǎn)生了1.01?kW的1090 nm激光輸出，實(shí)現(xiàn)了世界上第一個(gè)千瓦級(jí)光纖激光輸出。此后，915nm和975nm泵浦Yb實(shí)現(xiàn)1μm波段激光器成為主要的泵浦激光選擇。
圖1給出了Yb3+離子的吸收截面與輻射截面。在室溫下，吸收譜線在850nm~1050nm之間存在著兩個(gè)吸收峰，分別為915nm和976nm。976nm的吸收峰較高但是很窄，其吸收譜寬約為10nm；而915nm處的吸收峰則比較低和寬，吸收峰的高度大約為976nm 峰值的三分之一，但是吸收譜寬約為50nm，是976nm處吸收譜寬的5倍左右?發(fā)射光譜在900nm~1200nm之間也存在兩個(gè)峰，分別為976nm和1030nm。976nm處的輻射峰峰值較高，輻射譜寬10nm 左右，由三能級(jí)躍遷所致；1030nm 處峰值較低，但是輻射譜寬較寬，大于 50nm，由準(zhǔn)四能級(jí)的躍遷所致。
圖1 ?Yb光纖的吸收截面(實(shí)線)和發(fā)射截面(虛線)?
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根據(jù)上述的圖和分析，結(jié)合實(shí)際的LD激光的發(fā)展，基本上Yb3+離子的1um波段的激光器基本都是用915nm 和975nm的LD激光作為泵浦光源。
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問(wèn)題2 ??為什么早期使用915nm泵源較多，目前基本上都使用976nm泵源？
飛博激光高級(jí)研發(fā)人員答：
常規(guī)的LD 輸出波長(zhǎng)會(huì)隨著溫度的變化出現(xiàn)漂移，溫度漂移系數(shù)約為0.31nm/℃。根據(jù)圖1我們可以看出，溫度將影響有源光纖的泵浦吸收峰，不僅降低了激光器的效率，而且未吸收的泵浦光還會(huì)導(dǎo)致光路中的其他元器件損壞?由于915nm處的吸收譜寬約為50nm，溫度對(duì)泵浦的吸收影響很小，而溫度漂移對(duì)976nm影響較大，而早期激光器由于溫度控制不精確，因此，尤其是上世紀(jì)所生產(chǎn)的光纖激光器中，大多數(shù)皆使用915nm的泵源。
光纖吸收泵浦光后直接出光，這種泵浦技術(shù)被稱為直接泵浦，即由9XX?nm波長(zhǎng)經(jīng)過(guò)有源光纖后輸出1064nm?1070nm、1080nm 等波長(zhǎng)的激光?這類泵浦技術(shù)已經(jīng)廣泛應(yīng)用于科研激光器和工業(yè)常規(guī)激光器。但是，這類泵浦技術(shù)存在一定的量子虧損效應(yīng)，損耗的泵浦會(huì)直接產(chǎn)生熱量，影響激光器的可靠性和功率的進(jìn)一步提升。
此公式中，
和
分別為泵浦光和輸出激光的波長(zhǎng)?當(dāng)鐿離子吸收975nm?的泵浦光發(fā)射1070nm激光時(shí)，電子躍遷的量子虧損率約為9%，而采用915nm的泵浦光發(fā)射1070nm激光時(shí)，電子躍遷的量子虧損率約為14%?？梢?76nm的泵浦在能源的利用率上有較大提升。從工業(yè)產(chǎn)品的生產(chǎn)角度來(lái)說(shuō)就是成本的降低。
其次，隨著高亮度泵源和水冷機(jī)組的發(fā)展，高功率激光器基本都采用了水冷散熱，在溫度控制上更加精準(zhǔn)，可防止LD泵源的波長(zhǎng)漂移，保證激光器的泵浦吸收效率。目前高功率光纖激光器基本都是采用976nm泵源，在提高激光器效率的同時(shí)，有效地降低成本。表1將兩種泵源進(jìn)行比較，在溫度控制穩(wěn)定的基礎(chǔ)上，顯然976nm的泵源更加有利。
表1??915nm泵浦和976nm泵浦比較
問(wèn)題3 ??976nm泵浦是一項(xiàng)全新的技術(shù)嗎？
飛博激光高級(jí)研發(fā)人員答：
976nm泵浦并不是一項(xiàng)新技術(shù)。上世紀(jì)六七十年代，915nm和976nm的LD泵源皆用于激光器泵源，到2004年已能夠使用976nm的泵源實(shí)現(xiàn)千瓦級(jí)的激光輸出，技術(shù)上已十分成熟。國(guó)內(nèi)的絕大部分工業(yè)激光器廠家在2012年左右的時(shí)候開始采用976nm的LD作為主要的泵浦方式。發(fā)展到現(xiàn)在，這一技術(shù)已作為常規(guī)技術(shù)在使用，尤其是針對(duì)科研用戶這類對(duì)激光器有特殊要求的用戶群體。目前市售的幾百瓦甚至數(shù)千瓦鎖波長(zhǎng)LD可以將溫度漂移系數(shù)控制在0.01nm/℃以內(nèi)， 976nm 等波長(zhǎng)泵浦已成為沖擊高功率激光器不可或缺的器件。同時(shí)LD 的輸出光纖數(shù)值孔徑也在不斷優(yōu)化，從之前的0.22提升為目前的0.15，甚至0.13，為合束器有效接收更高功率泵浦光創(chuàng)造了有利的條件，使之可進(jìn)一步提升激光輸出功率。
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問(wèn)題4???目前還有其他泵浦光源或者技術(shù)可供選擇嗎？
飛博激光高級(jí)研發(fā)人員答：
除了泵浦方式的變化（早期單純正向泵浦發(fā)展為反向泵浦、正反向同時(shí)泵浦、915nm和976nm雙波長(zhǎng)混合泵浦、側(cè)邊泵浦等），泵浦本身在技術(shù)上也有發(fā)展和進(jìn)步：采用 976nm 泵浦輸出孔徑數(shù)值在0.07左右的有源光纖，使之發(fā)射高亮度1018nm激光，再用此1018nm激光作為泵浦光輸出1064nm?1070nm 及1080nm等波長(zhǎng)的激光，并稱之為同帶泵浦，可以有效減少量子虧損所帶來(lái)的熱效應(yīng)，目前對(duì)該技術(shù)掌握比較好的是IPG公司，已經(jīng)將其應(yīng)用在實(shí)際的工業(yè)產(chǎn)品中。國(guó)內(nèi)科研院所和高校也做了大量同帶泵浦相關(guān)研究，但目前國(guó)內(nèi)工業(yè)激光器廠家暫時(shí)還沒(méi)有將此作為主流技術(shù)使用和推廣。