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0431-81702023
光學工程
LD 抽運主振蕩功率放大結構4.1kW 全光纖激光器

摘要 利用半導體激光器(LD)抽運大模場增益光纖實現了輸出功率大于4kW 的主振蕩功率放大結構全光纖激光器.實驗研究了增益光纖纖芯直徑和抽運波長不同情況下激光器的受激拉曼散射(SRS)和橫向模式不穩定 (TMI)特性.為了抑制SRS,選擇纖芯為30μm 的大模場摻鐿光纖作為增益介質;為了抑制光纖放大器中的 TMI, 利用增益光纖吸收系數較低波段對應的915nmLD作為抽運源,將增益光纖彎曲半徑降低到10cm 以提高高階模的損耗.在種子功率為100W、最高注入抽運功率為5.3kW 時獲得了4.1kW 的功率輸出,光束質量 M2 為2.2,輸出激光中無SRS和 TMI現象.

關鍵詞 激光器;光纖激光器;主振蕩功率放大;受激拉曼散射;橫向模式不穩定

1 引 言

      光纖激光器具有轉換效率高、光束質量好、體積小、重量輕等優點,在工業加工、3D 打印、生物醫療等領域具有廣泛的應用前景[1G2].隨著高功率、高亮度抽運源和雙包層增益光纖的發展,摻鐿高功率激光器輸出功率得到了迅速的提升[3G6].尤其是隨著同帶抽運技術的發展,高功率單纖光纖激光器輸出功率突破了10kW [7].然而,近年來發現的橫向模式不穩定(TMI)現象[8G12]嚴重限制了高功率光纖激光器的功率提升[13].TMI是由增益光纖內部熱效應所導致,激光器抽運功率大于一定閾值時,激光中的基模與高階模式之間出現動態耦合,使輸出激光中高階模式成分增加,光束質量嚴重下降[13];使用包層光濾除裝置后,光纖激光器的輸出功率還會嚴重下降[13G17].在傳統 LD抽運的光纖激光系統中,由于量子虧損較高、增益光纖對抽運光的吸收系數較大,使增益光纖中的熱效應較為嚴重,導致 TMI閾值較低.在許多情況下,TMI的閾值甚至比受激拉曼散射(SRS)的閾值低[14,17G18],目前 TMI已被國際公認為是影響高功率光纖激光功率提升的一個重要限制影響因素[13].為了抑制 TMI,研究人員提出了多種方法,一種最為有效的 TMI抑制方法是選擇纖芯直徑較小、支持模式數量較少的摻雜光纖作為增益介質[14].但該方法會降低SRS閾值,同樣影響激光器輸出功率的提升.

      為了減輕SRS、抑制 TMI,在對 TMI影響因素已有理論分析的基礎上[18G20],本文搭建了高功率的主振蕩功率放大(MOPA)結構光纖放大器實驗平臺,對不同纖芯直徑的增益光纖進行了實驗研究,分析了不同抽運波長對SRS和 TMI的影響.結合實驗研究結論,選擇纖芯直徑為30μm 的大模場增益光纖抑制SRS. 實驗中利用增益光纖吸收系數較低波段對應的915nmLD作為抽運源,同時通過彎曲主放大器增益光纖增加高階模式損耗的方式來抑制 TMI.結果表明,在最高注入抽運功率為5.3kW 時獲得了4.1kW 的功率輸出,輸出激光中無SRS和 TMI現象.

2 MOPA 結構全光纖激光器結構

     MOPA結構全光纖激光器原理圖如圖1所示.振蕩器利用3個功率為100 W 的915nm 抽運源(LD),通過3×1抽運合束器(PC)對激光諧振腔進行抽運.激光諧振腔由高反射光纖光柵(HRFBG)、摻鐿光纖(YDF1) 和低反射光纖光柵(OCFBG)構成.其中 HRFBG 的反射率大于99.5%,中心波長為1080nm,3dB帶寬約2nm;OCFBG的反射率約為8%,中心波長為1080nm,3dB帶寬約1.2nm.YDF的纖芯與包層直徑分別為20μm和400μm (即20/400光纖),纖芯與包層數值孔徑分別為0.063、0.46,在915nm 抽運波長處的吸收系數約為0.4dB/m.PC的抽運輸入臂纖芯和包層直徑分別為105μm 和125μm,數值孔徑為0.22;輸出臂纖芯與包層直徑分別為20μm 和400μm,纖芯與包層數值孔徑分別為0.06、0.46.抽運功率為300W 時振蕩器輸出功率大于200W.實驗中,為了抑制SRS,保證放大器的穩定性,種子激光工作在100W 左右.

      主放大器采用(6+1)×1的抽運/信號合束器(PSC)對抽運功率和信號進行合束.為了研究 SRS和 TMI的閾值與抽運波長的關系,選擇最高功率分別為500 W、900 W 的975nm 和915nm 光纖耦合半導體激光器作為抽運源.由于實際上各個抽運源的功率不等,經過合束器后,975nm 和915nm 激光器的實際總抽運功率分別為3kW 和5.3kW.實驗中,利用纖芯直徑分別為20、25、30μm 的摻鐿雙包層光纖(YDF2) 作為增益介質,以研究SRS和 TMI的閾值特性.為了濾除未吸收的抽運光和模式不穩定導致的包層模,利用足夠長度的包層光濾除裝置(CLS)濾除包層光,然后采用商用的光纖端帽(QBH)擴束后輸出.實驗中, 為了滿足 CLS和光束擴束的需求,傳能光纖總長度大于6m(其中 CLS光纖3m,QBH 尾纖3m),傳能光纖纖芯直徑均為30μm.

3 實驗結果與分析

      實驗中,首先利用915nm 和975nm 抽運源對纖芯與包層直徑分別為25μm 和400μm 的摻鐿光纖 (25/400 光纖)進行抽運,研究SRS和 TMI的閾值特性.利用915nm 抽運時,由于摻鐿光纖對915nm 波段吸收系數較低(僅為0.5dB/m),為了保證15dB的總吸收系數,增益光纖總長度為30m.實驗發現,輸出功率為1.45kW時出現了明顯的 SRS效應,如圖2(a)所示,其中第2個光譜峰的中心波長為1135nm,即1080nm 激光的拉曼光譜.由于SRS的出現,初步判斷采用該結構難以實現3kW 以上的功率輸出.利用975nm 抽運時,為了抑制 TMI,將增益光纖彎曲半徑減小到10cm 左右.在最高抽運3kW 時輸出功率為2.34kW,出現了非常明顯的 TMI,如圖2(b)和圖2(c)所示,圖2(b)為實驗中利用示波器測量得到放大器輸出功率的時域,圖2(c)為該時域信號的功率譜.結果表明:由于 TMI的出現,基模與高階模式之間存在動態耦合,使得輸出激光出現明顯的功率起伏;對應頻譜的低頻部分也呈現出明顯的連續頻率成分,說明該結構的放大器也難以具備功率進一步提升的能力.

      根據 TMI的原理,利用模場直徑較小的增益光纖可以一定程度地抑制 TMI [14].實驗中,用中心波長為975nm 的 LD對纖芯直徑為20μm、包層直徑為400μm、長度為18m 的摻鐿光纖進行抽運,將增益光纖彎曲半徑減小到10cm 以抑制 TMI.在最大抽運功率為3kW 時,輸出功率達到了2.34kW.從輸出激光時域及對應的功率譜來看,沒有出現 TMI的征兆[如圖3(a)和圖3(b)所示];光譜也沒有觀察到明顯的 SRS [如圖3(c)所示].但是由于975nm 波段總抽運功率的限制,無法獲得大于3kW 的有效功率輸出.

     實驗研究表明:利用915nm 抽運25/400增益光纖時,由于增益光纖有效模場面積較小、增益光纖較長,使得SRS閾 值 較 低;利 用 975nm 抽 運 25/400 光 纖 時,TMI閾 值 較 低,功 率 進 一 步 提 升 受 限;利 用975nm的 LD對20/400光纖進行抽運,可以抑制SRS和 TMI,但是由于抽運功率的限制,暫時無法獲得大于3kW 的功率輸出.

     理論和實驗研究都表明:對于光纖放大器中的 TMI而言,利用915nm 抽運可以獲得較975nm 抽運更高的輸出功率閾值[14].為了獲得大于4kW 的功率輸出,最終采用915nm 的LD對纖芯和包層直徑分別為30μm 和400μm、長度為25m 的摻鐿光纖進行抽運,輔助彎曲光纖濾除高階模式的方法抑制 TMI.實驗中,將增益光纖的彎曲半徑減小到10cm,在最高抽運功率為5.3kW 時,獲得了4.1kW 的激光功率輸出. 輸出功率與抽運功率的關系曲線如圖4(a)所示.由于915nm 附近增益光纖的吸收平坦,在抽運功率提升的過程中,放大器的效率基本維持不變,在最高功率時光光轉換效率為75.5%.圖4(b)給出最高功率時測量得到的輸出光譜特性,由圖可知,輸出光譜中沒有任何SRS波段的信號;圖4(c)為4.1kW 時測試得到的時域信號,可見光纖激光器輸出時域穩定,沒有出現 TMI導致的功率起伏現象.上述結果表明:輸出功率為

4.1kW 時,沒有出現SRS,TMI也得到了較好的抑制,該激光器具備功率進一步提升的潛力.

        用光束質量測量儀 BeamWave1000測試了激光器的光束質量,測量結果如表1所示.表1中給出了光束質量測量過程中參數,其中zR 為瑞利距離,z 為光束傳送距離,z0 位光腰位置,w0 為光腰大小.結果表明:在最高功率時,激光器光束質量約為 M2=2.2(M2 x =2.02,M2 y =2.31).在最高功率時激光光斑如圖5所示,該激光器光斑形態較基模光束稍差.

      為了驗證激光器的功率提升能力,實驗測試了不同抽運功率情況下整個激光器系統中最高溫度點(增益光纖與合束器的熔接點)的溫度特性,測試結果如圖6所示.實驗采用了良好的制冷方法,結果表明:在最高抽運功率為5.3kW 時,熔點的溫度穩定在65 ℃左右,曲線中個別溫度點的數值起伏是由測量誤差導致的. 考察激光器的特性,在最高輸出功率時激光器中沒有出現SRS和 TMI,考慮到增益光纖涂覆層長時間穩定工作的溫度為80 ℃,表明通過增加抽運功率有望一定程度地提高激光器輸出功率.

4 結 論

       目前,橫向模式不穩定已經成為影響高功率光纖激光功率提升的重要因素之一.如何平衡受激拉曼散射和橫向模式不穩定、獲得高功率高光束質量的光纖激光輸出是一個重要的研究方向.利用 MOPA 結構, 通過優化光纖參數,避免了受激拉曼散射的產生;通過選用915nm 抽運源、彎曲光纖選模,抑制了橫向模式不穩定的發生,實現了功率為4.1kW 的全光纖激光輸出.選擇抽運吸收系數稍低、量子效率較高的抽運波長(比如980nm)對激光器進行抽運,有望提高放大器效率,獲得更高功率的光纖激光輸出.

 


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