CN106129795A - 以单频半导体激光器为种子源的单频光纤激光器 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种以单频半导体激光器为种子源的单频光纤激光器，包含主振荡器、功率放大器、激光分束单元和多路激光输出头，主振荡器包含半导体激光驱动器、2μm波段单频半导体激光器和光纤隔离器；功率放大器是由多个光纤放大级组成的光纤放大器，光纤放大级包括793nm多模半导体激光泵浦，光纤合束器，双包层掺铥光纤，每个放大级之后均有一个光纤隔离器；激光分束单元包含光谱滤波器和激光分束器；本发明的优点在于激光系统实现了2μm波段、无跳模、高功率、线偏振、多路单频激光输出，整个激光系统只需风冷，体积小、光斑优，稳定可靠，维护简单。

Description

以单频半导体激光器为种子源的单频光纤激光器
技术领域
本发明涉及光纤及激光技术领域，具体的说是一种以单频半导体激光器为种子源的单频光纤激光器系统。
背景技术
单频的半导体激光器具有体积小、无跳模、功率稳定等优秀特质，然而由于输出功率较低，一般在毫瓦量级，无法满足一些应用需求。光纤激光器/放大器是以掺杂稀土元素的光纤为增益介质的激光器/放大器，通过掺杂不同的稀土元素，如饵（Er），镒（Yb），铥（Tm），钬（Ho），钕（Nd）等，光纤激光器/放大器的工作波段覆盖了从紫外到中红外。与其他激光器/放大器相比，光纤激光器/放大器具有能量转化率高、输出光束质量好、结构紧凑稳定、无需光路调整、散热性能好、寿命长和无需维护等鲜明特点，因此得到快速发展以及广泛地应用。
以单频的半导体激光器为种子源，通过光纤放大器对激光功率进行有效放大得到高功率的单频激光以满足量子通信、非线性变频、传感等应用领域，具有重大的创新性，同时具有重要的经济效益及社会效益。
发明内容
为了解决现有技术中的不足，本发明旨在提供一种高功率、无跳模、工作稳定可靠、维护简单的以单频半导体激光器为种子源的单频光纤激光器。
一种以单频半导体激光器为种子源的单频光纤激光器，包括主振荡器、功率放大器、激光分束单元和多路激光输出头，其特征在于主振荡器为工作于2μm波段的单频半导体激光器；功率放大器为光纤放大器，光纤放大器由多级光纤放大级构成，每一级光纤放大级均包括光纤合束器、多模半导体激光泵浦、双包层掺铥光纤和光纤隔离器，光纤合束器的泵浦端与多模半导体激光泵浦相接，光纤合束器的输出端与双包层掺铥光纤一端相连，双包层掺铥光纤另一端与光纤隔离器相连，所述激光分束单元包括光谱滤波器和光纤分束器，光谱滤波器的输出端与光纤分束器的输入端相接，其中单频半导体激光器的输出端与第一级光纤放大级的光纤合束器的信号端相接，最后一级光纤放大级的光纤隔离器的输出端与光谱滤波器的输入端相接，光纤分束器输出端与多路激光输出头相接。
一种以单频半导体激光器为种子源的单频光纤激光器，包括主振荡器、功率放大器、激光分束单元和多路激光输出头，其特征在于主振荡器为工作于2μm波段的单频半导体激光器；功率放大器为光纤放大器，光纤放大器由一级光纤放大级组成，光纤放大级包括光纤合束器、多模半导体激光泵浦、双包层掺铥光纤和光纤隔离器，所述激光分束单元包括光谱滤波器和光纤分束器，其中单频半导体激光器的输出端与光纤合束器的信号端相接，光纤合束器的泵浦端与多模半导体激光泵浦相接，光纤合束器的输出端与双包层掺铥光纤一端相连，双包层掺铥光纤另一端与光纤隔离器相连，功率放大器光纤隔离器的输出端与光谱滤波器的输入端相接，光谱滤波器的输出端与光纤分束器的输入端相接，光纤分束器输出端与多路激光输出头相接。
本发明所述主振荡器由半导体激光驱动器、2μm波段单频半导体激光器和光纤隔离器组成，半导体激光驱动器驱动一个光纤耦合的2μm波段单频半导体激光器输出激光，单频半导体激光器的输出光纤与光纤隔离器的输入光纤相焊接，主振荡器光纤隔离器的输出端与光纤合束器的信号端相接。
本发明所述光纤分束器包括第一光纤分束器和第二光纤分束器，光谱滤波器的输出端与第一光纤分束器的输入端相接；第一光纤分束器的输出端分别与第二光纤分束器相连，第二光纤分束器（14）的输出端分别与多路激光输出头相连，其中第一光纤分束器可以为1×3光纤分束器，也可以为1×N光纤分束器，第二光纤分束器可以为1×2光纤分束器，也可以为为1×N光纤分束器。此外，激光分束系统里面的光纤分束器并不限于四个，可以是两路或三路，用户可以通过增加光纤分束器实现更多路数的激光输出。
本发明所述功率放大器是由两个光纤放大级组成的光纤放大器，其中第一个光纤放大级包括：一个（1+1）×1光纤合束器，（1+1）×1光纤合束器的信号端与光纤隔离器的输出端相接，（1+1）×1光纤合束器的泵浦端与第一多模半导体泵浦激光相接，（1+1）×1光纤合束器的输出端与双包层掺铥光纤一端相接，双包层掺铥光纤另一端与光纤隔离器相连。第二个光纤放大级包括：一个（2+1）×1光纤合束器，一个（2+1）×1光纤合束器也可以用（1+1）×1光纤合束器，（2+1）×1光纤合束器，（6+1）×1光纤合束器，（18+1）×1光纤合束器代替，（2+1）×1光纤合束器的信号端接光纤隔离器的输出端，（2+1）×1光纤合束器的两个泵浦端分别接第二多模半导体泵浦激光相接，（2+1）×1光纤合束器的输出端与双包层掺铥光纤相连，双包层掺铥光纤另一端与光纤隔离器相连。
本发明所述第一多模半导体泵浦激光为光纤耦合多模半导体激光器，工作波长位于793nm，输出光纤为105μm/125μm光纤，纤芯NA为0.22，输出功率约4W，第二多模半导体泵浦激光为光纤耦合多模半导体激光器，工作波长位于793nm，输出光纤为105μm/125μm光纤，纤芯NA为0.22，输出功率约8W。
本发明所述双包层掺铥光纤、光纤隔离器、光谱滤波器、光纤分束器和多路输出头均为保偏器件，以实现线偏振激光。其中，所述双包层掺铥光纤的芯径/内包层为10μm/130μm，纤芯NA为0.15，对793nm处激光的吸收系数约为4.7dB/m，这种双包层掺铥光纤，具有放大效率高，成本低等优点。
单频光纤激光器的单纵模特性依赖于环境温度，只能在相对比较窄的温度范围内保证单纵模（单频）的性能，环境温度变化时，会出现跳模现象。而单频半导体激光器的单纵模特性相对非常稳定，在很宽的范围内能保证单纵模（单频）运行，但是单频半导体激光器一般功率较低，在几个毫瓦量级，限制了它的应用。本发明把单频半导体激光器与光纤激光器的优点结合起来，以单频半导体激光器用作种子源，利用光纤放大器将其功率进行放大，实现了高功率的单频激光器，而且在0℃-45℃范围内均工作于单纵模状态，没有跳模。此外，相比于1μm波段和1.5μm波段单频光纤激光器，2μm波段的高功率单频光纤激光器更适合应用于某些应用领域，比如采用2μm波段单频激光作为泵浦源通过非线性变频产生单频中红外激光或单频太赫兹源，会有更高的转换效率。由于采用上述结构，本发明既具备半导体单频激光器的无跳模的优秀特质，又通过光纤放大实现了高功率激光输出，整个系统具备无跳模、体积小、光斑优、稳定可靠、维护简单的优秀性能。
附图说明
图1为本发明的一种结构示意图。
图2为本发明的另一种结构示意图。
图中标记：主振荡器1、功率放大器2、激光分束系统3、多路激光输出头4、半导体激光驱动器5、2μm波段单频半导体激光器6、光纤隔离器7、793nm多模半导体激光泵浦8、（1+1）×1光纤合束器9、双包层掺铥光纤10、（2+1）×1光纤合束器11、光谱滤波器12、第一光纤分束器13、第二光纤分束器14。
具体实施方式
下面将结合附图对本发明作进一步的说明：
如图所示，一种以单频半导体激光器为种子源的单频光纤激光器，包括主振荡器1、功率放大器2、激光分束单元3和多路激光输出头4。
主振荡器为工作于2μm波段的单频半导体激光器，具体的，主振荡器由半导体激光驱动器5、2μm波段单频半导体激光器6和光纤隔离器7-1组成，半导体激光驱动器驱动一个光纤耦合的2μm波段单频半导体激光器输出激光，单频半导体激光器的输出光纤与光纤隔离器的输入光纤相焊接。
功率放大器为光纤放大器，光纤放大器由多级光纤放大级构成，每一级光纤放大级均包括光纤合束器9、793nm多模半导体激光泵浦8、双包层掺铥光纤10和光纤隔离器7，功率放大器中的光纤放大级采用的泵浦方式可以为前向泵浦也可以为后向泵浦，当为前向泵浦时，单频半导体激光器的输出端与第一级光纤放大级的光纤合束器的信号端相接光纤合束器的泵浦端与793nm多模半导体激光泵浦相接，光纤合束器的输出端与光纤隔离器输入端相连；当为后向泵浦时，单频半导体激光器的输出端与第一级光纤放大级的双包层掺铥光纤一端相接，双包层掺铥光纤另一端与光纤合束器的信号端相接，光纤合束器的泵浦端与793nm多模半导体激光泵浦相接。以前向泵浦为例，功率放大器可以是由两个光纤放大级组成的光纤放大器，其中第一个光纤放大级包括：一个（1+1）×1光纤合束器9，（1+1）×1光纤合束器的信号端与光纤隔离器7-2的输出端相接，（1+1）×1光纤合束器的泵浦端与第一多模半导体泵浦激光8-1相接，（1+1）×1光纤合束器的输出端与双包层掺铥光纤10-1一端相接，双包层掺铥光纤10-1另一端与光纤隔离器相连。第二个光纤放大级包括：一个（2+1）×1光纤合束器11，一个（2+1）×1光纤合束器也可以用（1+1）×1光纤合束器，（2+1）×1光纤合束器，（6+1）×1光纤合束器，（18+1）×1光纤合束器代替，（2+1）×1光纤合束器11的信号端接光纤隔离器的输出端，（2+1）×1光纤合束器的两个泵浦端分别接第二多模半导体泵浦激光相接8-2，（2+1）×1光纤合束器的输出端与双包层掺铥光纤10-2相连，双包层掺铥光纤另一端与光纤隔离器相连。此时，第一多模半导体泵浦激光为光纤耦合多模半导体激光器，工作波长位于793nm，输出光纤为105μm/125μm光纤，纤芯NA为0.22，输出功率约4W，第二多模半导体泵浦激光为光纤耦合多模半导体激光器，工作波长位于793nm，输出光纤为105μm/125μm光纤，纤芯NA为0.22，输出功率约8W。
激光分束单元包括光谱滤波器12和光纤分束器，光谱滤波器的输出端与光纤分束器的输入端相接，其中功率放大器的输出端与光谱滤波器的输入端相接，光纤分束器输出端与多路激光输出头4相接。光纤分束器包括第一光纤分束器13和第二光纤分束器14，光谱滤波器的输出端与第一光纤分束器的输入端相接；第一光纤分束器的输出端分别与第二光纤分束器相连，第二光纤分束器（14）的输出端分别与多路激光输出头相连，其中第一光纤分束器可以为1×3光纤分束器，也可以为1×N光纤分束器，第二光纤分束器可以为1×2光纤分束器，也可以为为1×N光纤分束器。此外，激光分束系统里面的光纤分束器并不限于四个，可以是两路或三路，用户可以通过增加光纤分束器实现更多路数的激光输出。此时，多模半导体泵浦激光为光纤耦合多模半导体激光器，工作波长位于793nm，输出光纤为105μm/125μm光纤，纤芯NA为0.22。本发明中双包层掺铥光纤、光纤隔离器、光谱滤波器、光纤分束器和多路输出头均为保偏器件，以实现线偏振激光。其中，所述双包层掺铥光纤的芯径/内包层为10μm/130μm，纤芯NA为0.15，对793nm处激光的吸收系数约为4.7dB/m，这种双包层掺铥光纤，具有放大效率高，成本低等优点。
一种以单频半导体激光器为种子源的单频光纤激光器，包括主振荡器、功率放大器、激光分束单元和多路激光输出头，主振荡器为工作于2μm波段的单频半导体激光器，具体的，主振荡器由半导体激光驱动器、2μm波段单频半导体激光器和光纤隔离器组成，半导体激光驱动器驱动一个光纤耦合的2μm波段单频半导体激光器输出激光，单频半导体激光器的输出光纤与光纤隔离器的输入光纤相焊接，主振荡器光纤隔离器的输出端与光纤合束器的信号端相接；功率放大器为光纤放大器，光纤放大器由一级光纤放大级构成，光纤放大级包括光纤合束器、793nm多模半导体激光泵浦、双包层掺铥光纤和光纤隔离器，功率放大器中的光纤放大级采用的泵浦方式可以为前向泵浦也可以为后向泵浦，当为前向泵浦时，单频半导体激光器的输出端与光纤合束器的信号端相接，光纤合束器的泵浦端与793nm多模半导体激光泵浦相接，光纤合束器的输出端与光纤隔离器输入端相连；当为后向泵浦时，单频半导体激光器的输出端与双包层掺铥光纤一端相接，双包层掺铥光纤另一端与光纤合束器的信号端相接，光纤合束器的泵浦端与793nm多模半导体激光泵浦相接。所述激光分束单元包括光谱滤波器和光纤分束器，其中单频半导体激光器的输出端与光纤合束器的信号端相接，光纤合束器的泵浦端与793nm多模半导体激光泵浦相接，光纤合束器的输出端与双包层掺铥光纤一端相连，双包层掺铥光纤另一端与光纤隔离器相连，功率放大器光纤隔离器的输出端与光谱滤波器的输入端相接，光谱滤波器的输出端与光纤分束器的输入端相接，光纤分束器输出端与多路激光输出头相接。光纤分束器包括第一光纤分束器和第二光纤分束器，光谱滤波器的输出端与第一光纤分束器的输入端相接；第一光纤分束器的输出端分别与第二光纤分束器相连，第二光纤分束器（14）的输出端分别与多路激光输出头相连，其中第一光纤分束器可以为1×3光纤分束器，也可以为1×N光纤分束器，第二光纤分束器可以为1×2光纤分束器，也可以为为1×N光纤分束器。此外，激光分束系统里面的光纤分束器并不限于四个，可以是两路或三路，用户可以通过增加光纤分束器实现更多路数的激光输出。本发明中双包层掺铥光纤、光纤隔离器、光谱滤波器、光纤分束器和多路输出头均为保偏器件，以实现线偏振激光。其中，所述双包层掺铥光纤的芯径/内包层为10μm/130μm，纤芯NA为0.15，对793nm处激光的吸收系数约为4.7dB/m，这种双包层掺铥光纤，具有放大效率高，成本低等优点。
实施例
一种以单频半导体激光器为种子源的单频光纤激光器，包括主振荡器、功率放大器、激光分束单元和多路激光输出头：
主振荡器为工作于2μm波段的单频半导体激光器，具体的，主振荡器由半导体激光驱动器、2μm波段单频半导体激光器和光纤隔离器组成，半导体激光驱动器驱动一个光纤耦合的2μm波段单频半导体激光器输出激光，单频半导体激光器的输出光纤与光纤隔离器的输入光纤相焊接，主振荡器光纤隔离器的输出端与光纤合束器的信号端相接；
功率放大器为光纤放大器，功率放大器可以是由两个光纤放大级组成的光纤放大器，其中第一个光纤放大级包括：一个（1+1）×1光纤合束器，（1+1）×1光纤合束器的信号端与光纤隔离器的输出端相接，（1+1）×1光纤合束器的泵浦端与第一多模半导体泵浦激光相接，（1+1）×1光纤合束器的输出端与双包层掺铥光纤一端相接，双包层掺铥光纤另一端与光纤隔离器相连。第二个光纤放大级包括：一个（2+1）×1光纤合束器，（2+1）×1光纤合束器的信号端接光纤隔离器的输出端，（2+1）×1光纤合束器的两个泵浦端分别接第二多模半导体泵浦激光相接，（2+1）×1光纤合束器的输出端与双包层掺铥光纤相连，双包层掺铥光纤另一端与光纤隔离器相连。此时，第一多模半导体泵浦激光为光纤耦合多模半导体激光器，工作波长位于793nm，输出光纤为105μm/125μm光纤，纤芯NA为0.22，输出功率约4W，第二多模半导体泵浦激光为光纤耦合多模半导体激光器，工作波长位于793nm，输出光纤为105μm/125μm光纤，纤芯NA为0.22，输出功率约8W；激光分束单元包括光谱滤波器和光纤分束器，光谱滤波器的输出端与光纤分束器的输入端相接，其中单频半导体激光器的输出端与第一级光纤放大级的光纤合束器的信号端相接，最后一级光纤放大级的光纤隔离器的输出端与光谱滤波器的输入端相接，光纤分束器输出端与多路激光输出头相接。光纤分束器包括第一光纤分束器和第二光纤分束器，光谱滤波器的输出端与第一光纤分束器的输入端相接；第一光纤分束器的输出端分别与第二光纤分束器相连，其中第一光纤分束器可以为1×3光纤分束器，第二光纤分束器可以为1×2光纤分束器，第二光纤分束器（14）的输出端分别与多路激光输出头相连；此时，多模半导体泵浦激光为光纤耦合多模半导体激光器，工作波长位于793nm，输出光纤为105μm/125μm光纤，纤芯NA为0.22。本发明中双包层掺铥光纤、光纤隔离器、光谱滤波器、光纤分束器和六路输出头均为保偏器件，以实现线偏振激光。其中，所述双包层掺铥光纤的芯径/内包层为10μm/130μm，纤芯NA为0.15，对793nm处激光的吸收系数约为4.7dB/m，这种双包层掺铥光纤，具有放大效率高，成本低等优点。
由于单频光纤激光器的单纵模特性依赖于环境温度，只能在相对比较窄的温度范围内保证单纵模（单频）的性能，环境温度变化时，会出现跳模现象。而单频半导体激光器的单纵模特性相对非常稳定，在很宽的范围内能保证单纵模（单频）运行，但是单频半导体激光器一般功率较低，在几个毫瓦量级，限制了它的应用。本发明把单频半导体激光器与光纤激光器的优点结合起来，以单频半导体激光器用作种子源，利用光纤放大级将其功率有效放大，实现了高功率的单频激光器，而且在0℃-45℃范围内均工作于单纵模状态，没有跳模。此外，相比于1μm波段和1.5μm波段单频光纤激光器，2μm波段的高功率单频光纤激光器更适合于某些应用领域，比如：采用2μm波段单频激光作为泵浦源通过非线性变频产生单频中红外激光或单频太赫兹源，会有更高的转换效率。
为了更详细、直观的对2μm波段单频半导体激光器为种子源的高功率光纤激光器在不同温度下保持单纵模、无跳模等优势进行观察对比，本发明仅将种子源分为2μm波段单频半导体激光器替换为2μm波段单频光纤激光器，其他各部件均保持不变，制成以2μm波段单频光纤激光器为种子源的2μm波段高功率光纤激光器，与本发明进行对比实验。在对0℃-45℃温度范围观察对比时，以2μm波段单频光纤激光器为种子源的2μm波段高功率光纤激光器在3℃-5℃、11℃-13℃、20℃-23℃、29℃-31℃、38℃-40℃这几个温度范围内，均观测到跳模，同时存在两个纵模。而以2μm波段单频半导体激光器为种子源的2μm波段高功率光纤激光器，均处于单纵模状态且没有跳模。
由于采用上述结构，本发明既具备半导体单频激光器的无跳模的优秀特质，又通过光纤放大实现了高功率激光输出，整个系统具备无跳模、体积小、光斑优、稳定可靠、维护简单的优秀性能。

Claims (8)

1.一种以单频半导体激光器为种子源的单频光纤激光器，包括主振荡器、功率放大器、激光分束单元和多路激光输出头，其特征在于主振荡器为工作于2μm波段的单频半导体激光器；功率放大器为光纤放大器，光纤放大器由多级光纤放大级构成，每一级光纤放大级均包括光纤合束器、多模半导体激光泵浦、双包层掺铥光纤和光纤隔离器，光纤合束器的泵浦端与多模半导体激光泵浦相接，光纤合束器的输出端与双包层掺铥光纤一端相连，双包层掺铥光纤另一端与光纤隔离器相连，所述激光分束单元包括光谱滤波器和光纤分束器，光谱滤波器的输出端与光纤分束器的输入端相接，其中单频半导体激光器的输出端与第一级光纤放大级的光纤合束器的信号端相接，最后一级光纤放大级的光纤隔离器的输出端与光谱滤波器的输入端相接，光纤分束器输出端与多路激光输出头相接。
2.一种以单频半导体激光器为种子源的单频光纤激光器，包括主振荡器、功率放大器、激光分束单元和多路激光输出头，其特征在于主振荡器为工作于2μm波段的单频半导体激光器；功率放大器为光纤放大器，光纤放大器由一级光纤放大级组成，光纤放大级包括光纤合束器、多模半导体激光泵浦、双包层掺铥光纤和光纤隔离器，光纤合束器的泵浦端与多模半导体激光泵浦相接，光纤合束器的输出端与双包层掺铥光纤一端相连，双包层掺铥光纤另一端与光纤隔离器相连；所述激光分束单元包括光谱滤波器和光纤分束器，光谱滤波器的输出端与光纤分束器的输入端相接，其中单频半导体激光器的输出端与光纤合束器的信号端相接，功率放大器光纤隔离器的输出端与光谱滤波器的输入端相接，光纤分束器输出端与多路激光输出头相接。
3.根据权利要求1或2所述的一种以单频半导体激光器为种子源的单频光纤激光器，其特征在主振荡器由半导体激光驱动器、2μm波段单频半导体激光器和光纤隔离器组成，半导体激光驱动器驱动一个光纤耦合的2μm波段单频半导体激光器输出激光，单频半导体激光器的输出光纤与光纤隔离器的输入光纤相焊接，主振荡器光纤隔离器的输出端与光纤合束器的信号端相接。
4.根据权利要求1或2所述的一种以单频半导体激光器为种子源的单频光纤激光器，其特征在光纤分束器包括第一光纤分束器和第二光纤分束器，光谱滤波器的输出端与第一光纤分束器的输入端相接；第一光纤分束器的输出端分别与第二光纤分束器相连，第二光纤分束器（14）的输出端分别与多路激光输出头相连。
5.根据权利要求4所述的一种以单频半导体激光器为种子源的单频光纤激光器，其特征在第一光纤分束器为1×3光纤分束器，第二光纤分束器为1×2光纤分束器，多路激光输出头为六路激光输出头。
6.根据权利要求1所述的一种以单频半导体激光器为种子源的单频光纤激光器，其特征在功率放大器是由两个光纤放大级组成的光纤放大器，其中第一个光纤放大级包括：一个（1+1）×1光纤合束器，（1+1）×1光纤合束器的信号端与光纤隔离器的输出端相接，（1+1）×1光纤合束器的泵浦端与第一多模半导体泵浦激光相接，（1+1）×1光纤合束器的输出端与双包层掺铥光纤一端相接，双包层掺铥光纤另一端与光纤隔离器相连；第二个光纤放大级包括：一个（2+1）×1光纤合束器，（2+1）×1光纤合束器的信号端接光纤隔离器的输出端，（2+1）×1光纤合束器的两个泵浦端分别接第二多模半导体泵浦激光相接，（2+1）×1光纤合束器的输出端与双包层掺铥光纤相连，双包层掺铥光纤另一端与光纤隔离器相连。
7.根据权利要求6所述一种以单频半导体激光器为种子源的单频光纤激光器，其特征在于第一多模半导体泵浦激光为光纤耦合多模半导体激光器，工作波长位于793nm，输出光纤为105μm/125μm光纤，纤芯NA为0.22，输出功率约4W，第二多模半导体泵浦激光为光纤耦合多模半导体激光器，工作波长位于793nm，输出光纤为105μm/125μm光纤，纤芯NA为0.22，输出功率约8W。
8.根据权利要求1或2所述的一种以单频半导体激光器为种子源的单频光纤激光器，其特征在于双包层掺铥光纤、光纤隔离器、光谱滤波器、光纤分束器和多路输出头均为保偏器件，其中所述双包层掺铥光纤的芯径/内包层为10μm/130μm，纤芯NA为0.15，对793nm处激光的吸收系数约为4.7dB/m。
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