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Fig 1, 不同金屬材料的光譜吸收率
 

如今的大功率單模組光纖激光器早已能夠輕松實現數KW級的光功率輸出，這使得這類激光器在金屬加工領域被廣泛應用。在同等的光輸出功率條件下，由于吸收率的不同，基于摻鐿光纖的1微米光纖激光器比10微米的CO2激光器在加工金屬材料時效率有顯著的提升。Fig 1給出了不同金屬材料的光譜吸收率，從圖中可以看出大部分金屬材料對光譜的吸收特性大致呈現出吸收率隨著光波長增大而減少的趨勢。金屬材料對輸出波長在1070 nm左右的摻鐿光纖激光器相對于輸出波長在10600nm的CO2 激光器明顯更強。特別是金屬鐵在1070 nm波長條件下的吸收率比在10600 nm波長條件下提高了將近6倍。

Fig 2, 鋁硅酸鹽和磷硅酸鹽摻鐿(Yb)光纖對800~1100 nm光譜的相對吸收率
 

因為摻鐿光纖對976nm和915 nm波長的光有非常強烈的吸收特性，所以這類激光器主要由發射上述波長的半導體激光器(LD)泵浦。Fig 2是兩種典型的摻鐿光纖對800~1100 nm光譜的相對吸收率，摻鐿光纖在915nm 和 976 nm附近存在明顯的特征吸收峰。976 nm光波在鋁硅酸鹽摻鐿光纖中的吸收率是915 nm光波的將近3倍，在磷硅酸鹽中前者的吸收率更是后者的近5倍。如此懸殊的吸收率差異，意味著這類激光器采用976 nm LD泵浦技術能夠獲得更高的光-光轉換效率。同時更高的吸收率也意味著可以有效減少光纖的長度，從而在一定程度上限制有害的非線性效應。

 

Fig 3 不同Yb離子能態反轉率導致的光子暗化（PD）損失隨時間變化的曲線
 

目前大功率的稀土摻雜光纖激光器都需要面對光子暗化(Photodarkening)問題。這個問題導致激光器的輸出功率減小，穩定性和工作壽命大幅度下降。光子暗化現象同樣被大量報道存在于鐿離子摻雜的光纖激光器中。當前人們普遍認為是由于玻璃基質中產生的色心(color-center)導致了這個現象。之前的研究報道提出了很多可能的方式去解決這個光子暗化問題，包括在光纖內共摻磷，利用405nm 激光進行光子漂白(photobleaching), 甚至是利用高溫對發生光子暗化的光纖進行退火處理。其中共摻磷的方式雖然能夠有效抑制光子暗化，但是卻增大了背景損耗和數值孔徑。
 

之前Koponen等人對光子暗化現象的研究表明光子暗化速度很大程度上取決于激發態鐿離子的濃度，也就是鐿離子的能態反轉率（Yb inversion rate）。他們發現光子暗化速率同鐿離子能態反轉率的7次方成正比。在Fig 3中給出了在不同鐿離子能態反轉率條件下光子暗化損失隨時間變化曲線。數據很直觀地表明光子暗化率隨著能態反轉率的增加而急劇增大。

 

Fig 4  976 nm和920 nm泵浦條件下Yb 離子能態反轉率隨泵浦功率變化曲線假定反轉率數據在標準方差小于1%時足夠平滑)
 

在摻鐿光纖中的能態反轉率受到光纖的質量，泵浦功率，光反饋以及泵浦光波長等多個方面的影響。采用合適的泵浦光波長可以在很大程度上抑制光子暗化。將能態反轉率粗略地定義成在某一泵浦光波長下光子吸收率同發射截面的比率，那么可以通過仿真得到摻鐿光纖在976nm和920 nm兩種泵浦光條件下的能態反轉率隨泵浦功率變化的曲線(Fig 4)。雖然上文Fig 2 中的吸收譜表明摻鐿光纖對976 nm波長光的吸收特性明顯強于其他波長，但是因為976nm波長光相對較大的發射截面，所以最終得到了比在920 nm泵浦光條件下更低的能態反轉率。雖然數據并沒有直接給出915 nm泵浦光條件下的能態反轉率，但是從這個結果仍然可以推測出976 nm泵浦光源有著比前者更強的抗光子暗化潛力。
 

雖然976 nm泵浦方式有著更高的吸收率和光光轉換效率可以有效減少增益光纖的長度，并且能夠減少有害的光子暗化效應，但是其相對于915 nm泵浦方式在光纖處理和耦合上的技術難度更大。而且摻鐿光纖在976 nm范圍的吸收譜過于狹窄，泵浦源溫度波動導致的波長變化很容易導致激光器輸出功率不穩定，采用這種泵浦技術對激光器的熱管理系統有非常嚴格的要求。正因為如此，目前只有少數的激光器廠商像德國的IPG，美國的Coherent-Rofin以及美國的GW等廠商在量產的工業激光器中大規模使用976 nm 泵浦源。