激光与光电子学进展, 2019, 56 (17): 170602, 网络出版: 2019-09-05   

掺镱大模场光子晶体光纤的研究进展 下载: 2182次特邀综述

Research Progress on Ytterbium-Doped Large Mode Area Photonic Crystal Fibers
作者单位
1 中国科学院上海光学精密机械研究所强激光材料重点实验室, 上海 201800
2 中国科学院大学, 北京 100049
图 & 表

图 1. 高亮度掺镱LMA-PCF对芯棒的要求

Fig. 1. Requirements for mandrels in high brightness Yb-doped LMA-PCF

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图 2. MCVD工艺流程图[26]

Fig. 2. MCVD process flowchart[26]

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图 3. 纳米颗粒直接沉积制备芯棒工艺[35]

Fig. 3. Preparation of preform by DND process[35]

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图 4. 粉末烧结工艺图[37]

Fig. 4. Powder sintering process[37]

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图 5. 分相制备多孔工艺流程[43]

Fig. 5. Process of phase separation to prepare porous[43]

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图 6. 分相法制备稀土掺杂光纤工艺[45]

Fig. 6. Fabrication of rare earth doped optical fibers by phase separation method[45]

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图 7. 溶胶-凝胶工艺制备大模场掺镱光纤流程

Fig. 7. Fabrication of large mode ytterbium doped fiber process by sol-gel process

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图 8. (a) Yb/Al/P掺杂石英玻璃形成区;(b)玻璃形成区高硅区域局部放大图[24]

Fig. 8. (a) Glass forming region of Yb/Al/P doped silica glass; (b) magnified view of glass forming region in area with high content of SiO224

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图 9. Yb3+在YAP系列样品中的性能[29]。(a)吸收谱;(b)发射谱

Fig. 9. Performances of Yb3+ in YAP series samples[29]. (a) Absorption spectrum; (b) emission spectrum

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图 10. Yb3+/Al3+/P5+掺杂石英玻璃的Raman光谱[26]

Fig. 10. Raman spectra of Yb3+/Al3+/P5+ doped silica glass[26]

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图 11. Yb3+/Al3+/P5+共掺石英玻璃结构[26]

Fig. 11. Structure of Yb3+/Al3+/P5+ co-doped quartz glass[26]

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图 12. Yb2O3、Al2O3、P/Al的物质的量之比及AlPO4对石英玻璃折射率的影响[26,29,31]

Fig. 12. Effects of Yb2O3, Al2O3, P/Al ratio, and AlPO4 on refractive index of silica glass[26,29,31]

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图 13. 掺镱石英玻璃芯棒照片

Fig. 13. Photographs of Yb-doped quartz glass mandrels

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图 14. 光子晶体光纤的端面及纤芯成分分布。(a) PCF截面照片;(b)纤芯中Yb、Al、P、F元素EPMA线扫描图

Fig. 14. Photographs of photonic crystal fibers and composition distribution of fiber cores. (a) PCF cross-sectional photographs; (b) EPMA line scan maps of Yb, Al, P, and F elements in fiber core

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图 15. 激光放大系统及输出激光特性。 (a)主振荡功率放大系统;(b)脉冲放大平均功率随抽运光功率变化,插图分别为120 W和272 W时的光束质量

Fig. 15. Laser amplification system and output laser characteristics. (a) Main oscillator power amplifier system; (b) average pulse amplification power versus pump power. Insets are beam qualities at 120 W and 272 W, respectively

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图 16. 光子晶体光纤端面照片及激光放大性能。(a) 75 μm芯径的LMA-PCF端面SEM照片;(b)脉冲放大平均功率随抽运光功率变化

Fig. 16. Photo of photonic crystal fiber end face and laser amplification performance. (a) SEM photograph of large mode area PCF with 75 μm core diameter; (b) average pulse amplification power versus pump power

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图 17. 溶胶-凝胶法制备LMA-PCF的研究进展

Fig. 17. Development of LMA-PCF fabricated by sol-gel method

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表 1基于溶胶-凝胶法制备掺镱石英光纤的研究进展

Table1. Development of ytterbium doped silica fibers using sol-gel method

TimeCompositionMole fractionof Yb2O3 /%FibertypeCorediameter /μmLasersystemAveragepower /WPeakpower /MWM2Reference
2013Yb/Al0.3PCF30CW6.8--[22]
2013Yb/Al0.1PCF90CW81--[23]
2013Yb/Al/P0.05PCF35CW35--[53]
2015Yb/Al/P0.035DCFPCF3550CW3.246--1.3-[57]
2016Yb/Al0.1PCF105MOPA2551.2>10[54]
2016Yb/Al/F0.05DCF50CW8-1.1[20]
2017Yb/Al0.1PCF100MOPA3101.55[59]
2017Yb/Al/P/F0.075PCF50MOPA970.0931.4[55]
2019Yb/Al/P/F0.09PCF50MOPA2720.2662.2[51]
2019Yb/Al/P/F0.15PCF75MOPA10212.1[60]

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表 2不同组分的掺镱石英玻璃芯棒特点

Table2. Characteristics of Yb-doped silica glass rods with different compositions

Core glassGlass forming abilityHomogeneityRefractive differenceSpectra propertiesReference
Yb/AlEasy1×10-4Far larger than pure silica glassGood[22,52]
Yb/Al/PEasy (with largerAl content than P)2×10-4(3-6)×10-4Great changes (withmuch larger P than Al)[28-29,31]
Yb/Al/FEasy2×10-4Almost equal to pure silica glassGood[20,30]
Yb/Al/P/FPossible phaseseparation1×10-4Almost equal to pure silica glassGood (with less Pcontent than Al)[51,55-56]

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表 3本课题组制备掺镱石英玻璃芯棒与Heraeus公司产品性能对比

Table3. Performance comparison between Yb-doped quartz glass mandrel prepared by our research group and Heraeus products

SpecificationSIOMHeraeus
Powder sinteringSol-gelSiCl4+H2O
Active glass rod diameter>5 mm>5 mm
HomogeneityAbout1×10-4<2×10-4
Codoping FYesNo
Codoping PYesNo
Core glass attenuation>50 dB/km@1200 nm<50 dB/km@1200 nm
Main applicationLow NA ultra large mode fieldphotonic crystal fibers forpulse amplificationUltra large core diameter claddingfiber for high average powerCW/pulsed fiber laser amplifier

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于春雷, 王孟, 冯素雅, 王世凯, 王璠, 楼风光, 张磊, 陈丹平, 胡丽丽. 掺镱大模场光子晶体光纤的研究进展[J]. 激光与光电子学进展, 2019, 56(17): 170602. Chunlei Yu, Meng Wang, Suya Feng, Shikai Wang, Fan Wang, Fengguang Lou, Lei Zhang, Danping Chen, Lili Hu. Research Progress on Ytterbium-Doped Large Mode Area Photonic Crystal Fibers[J]. Laser & Optoelectronics Progress, 2019, 56(17): 170602.

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