劉 亮，崔俊偉，李文景，王 薊，張?jiān)歧?，劉桂岐，彭以?/p>

(長(zhǎng)春理工大學(xué)理學(xué)院，吉林長(zhǎng)春130022)

1 引言

19世紀(jì)40年代，Daniel Colladon和Jacques Babinet發(fā)現(xiàn)了能夠依靠光折射原理來(lái)引導(dǎo)光束的現(xiàn)象，這是光纖理論最早的雛形。光纖是一種利用光的全反射原理研制的光傳導(dǎo)工具，1920年前后人們開始利用此原理進(jìn)行光纖圖像傳輸研究，如醫(yī)學(xué)內(nèi)窺鏡、軍事可彎曲潛望鏡等［1］。自20世紀(jì)60年代初第一臺(tái)激光器發(fā)明以來(lái)，不同種類、功能各異的激光器紛繁涌現(xiàn)。光纖激光器是新一代激光器的主要代表之一，正在逐漸取代其它激光器［2］。

摻鐿雙包層光纖激光器輸出波長(zhǎng)為976～1 200 nm，常見(jiàn)的輸出波長(zhǎng)為1 060 nm，恰好位于大氣吸收窗口，因此，1 060 nm波長(zhǎng)作為信號(hào)能夠明顯地?cái)U(kuò)展激光雷達(dá)等的偵測(cè)距離，進(jìn)而提前預(yù)警，爭(zhēng)取到更多的軍事準(zhǔn)備時(shí)間，具有較大的軍事應(yīng)用價(jià)值［3］。

摻鐿雙包層有源光纖采用了先進(jìn)的包層泵浦技術(shù)，由于雙包層光纖內(nèi)包層的數(shù)值孔徑和橫截面尺寸較大，可大幅度提高泵浦效率和輸出功率，單根光纖的激光輸出可達(dá)100 W以上［4］。同時(shí)，它的儲(chǔ)能性能較好，飽和能量達(dá)32 J/cm2，易于實(shí)現(xiàn)高效率和高功率激光輸出。

雙包層光纖激光器的輸出光束質(zhì)量取決于纖芯直徑和數(shù)值孔徑，適合完成單橫模激光輸出。摻鐿雙包層光纖激光器輸出激光的質(zhì)量可以接近衍射極限，有利于降低激光雷達(dá)的盲區(qū)，提高目標(biāo)追蹤和武器精確打擊目標(biāo)的準(zhǔn)確性。

摻鐿雙包層光纖的構(gòu)造簡(jiǎn)單、質(zhì)量輕、體積小，使用靈活方便、散熱效率高，能夠彎曲盤繞成任意形狀［5］。摻鐿雙包層光纖介質(zhì)的表面積與體積比是固體激光介質(zhì)的1 000倍以上，因此，散熱效果較好。對(duì)于連續(xù)輸出110 W的光纖激光，可使光纖盤繞成環(huán)狀，通常無(wú)需使用其他設(shè)備對(duì)光纖進(jìn)行冷卻。

不難看出摻Y(jié)b3+光纖激光器具有可調(diào)諧范圍寬、轉(zhuǎn)換效率高、光束質(zhì)量好、散熱性能好、激光閾值低等優(yōu)點(diǎn)［6］，它整合了稀土摻雜光纖(雙包層)技術(shù)和二極管激光器泵浦耦合技術(shù)的特點(diǎn)，提高了泵浦光和耦合效率，實(shí)現(xiàn)了高功率、高亮度的激光輸出，故在空間光通信、工業(yè)加工、印刷、醫(yī)療以及軍事領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用前景。

本文在研究光纖激光器理論模型的基礎(chǔ)上，搭建了LD泵浦的雙包層摻鐿光纖激光器系統(tǒng)，通過(guò)實(shí)驗(yàn)分析了系統(tǒng)的組成結(jié)構(gòu)和特點(diǎn)，分別討論了連續(xù)輸出和準(zhǔn)連續(xù)輸出摻鐿雙包層光纖激光器的輸出特性。

2 理論模型

光纖激光器的增益介質(zhì)為摻雜稀土離子的光纖芯，它在2個(gè)反射鏡之間形成了一個(gè)F-P諧振腔。泵浦光束從對(duì)泵浦光高透光率、對(duì)激射光高反射率的反射鏡入射到摻雜的光纖纖芯中，激射輸出光從對(duì)激射光低發(fā)射率的反射鏡輸出。

泵浦光到達(dá)光纖纖芯時(shí)，會(huì)被纖芯中摻雜的稀土離子吸收。稀土原子會(huì)吸收泵浦光的光子能量，同時(shí)原子層中的電子會(huì)受激躍遷至高能級(jí)，形成粒子數(shù)反轉(zhuǎn)，然后再以輻射形式從高能級(jí)第二次躍遷到基態(tài)，第二次躍遷釋放能量，并射出光子，這一過(guò)程即增益介質(zhì)的受激輻射［7-8］。

圖1 Yb3+能級(jí)結(jié)構(gòu)示意圖Fig.1 Schematic diagram of Yb3+energy structure

一般采用石英玻璃作為光纖激光器的有源介質(zhì)，當(dāng)摻入Yb3+后，由于基質(zhì)材料中電場(chǎng)分布不均勻，將發(fā)生能級(jí)展寬，2F5/2展成3個(gè)子能級(jí)，2F7/2則變成4個(gè)子能級(jí)，如圖1所示，Yb3+這種展寬機(jī)制歸因于分裂能級(jí)之間聲子的產(chǎn)生和湮滅引起的能量交換，以及基質(zhì)對(duì)電場(chǎng)能級(jí)的微擾產(chǎn)生的Stark效應(yīng)兩種機(jī)制?；鶓B(tài)2F7/2含有4個(gè)Stark能級(jí);處在基態(tài)以上大約10 000 cm-1處的激發(fā)態(tài)2F5/2含有3個(gè)Stark能級(jí)。正是由于Yb3+具有這種簡(jiǎn)單的能級(jí)結(jié)構(gòu)，使得在泵浦波長(zhǎng)處和信號(hào)波長(zhǎng)處均不存在激發(fā)態(tài)吸收現(xiàn)象。同時(shí)，由于2F5/2和2F7/2間存在較大的能級(jí)間隔(約10 000 cm-1)，阻礙了多光子的非輻射馳豫和濃度猝滅的發(fā)生。在室溫下并非所有Yb3+能級(jí)都參與躍遷，與短波長(zhǎng)區(qū)域輻射對(duì)應(yīng)的能級(jí)為a-de，簡(jiǎn)化為三能級(jí)系統(tǒng);與長(zhǎng)波長(zhǎng)區(qū)域輻射對(duì)應(yīng)的能級(jí)為a-b-d-e，簡(jiǎn)化為準(zhǔn)四能級(jí)系統(tǒng)。

如圖2所示，四能級(jí)系統(tǒng)泵浦過(guò)程中將基態(tài)E0的粒子泵浦到激發(fā)態(tài)E3，激發(fā)到E3的粒子通過(guò)無(wú)輻射躍遷迅速轉(zhuǎn)移到亞穩(wěn)態(tài)能級(jí)E2，粒子在E2能級(jí)上的壽命較長(zhǎng)，產(chǎn)生積累，實(shí)現(xiàn)與激光下能級(jí)E1之間的粒子數(shù)反轉(zhuǎn)，所以E2又叫激光上能級(jí)，E1對(duì)應(yīng)于Yb3+子能級(jí)b，室溫下其粒子數(shù)分布只占整個(gè)基態(tài)粒子數(shù)的4%［9］。

圖2 Yb3+四能級(jí)結(jié)構(gòu)示意圖Fig.2 Schematic diagram of Yb3+four-energy structure

3 實(shí)驗(yàn)

3.1 激光電源

選取國(guó)產(chǎn)HLD-8004型LD連續(xù)輸出驅(qū)動(dòng)電源作為本實(shí)驗(yàn)的激光電源。該電源是一種可靠性高、精度高、使用靈活、適用范圍寬的LD驅(qū)動(dòng)電源，電源工作模式可調(diào)，滿足準(zhǔn)連續(xù)輸出要求。具體技術(shù)參數(shù)見(jiàn)表1。

表1 國(guó)產(chǎn)HLD-8004型LD連續(xù)輸出驅(qū)動(dòng)電源技術(shù)參數(shù)Tab.1 Technical parameters of continuous wave output driving power source made in China

3.2 方波發(fā)生器

本實(shí)驗(yàn)使用了HLD-8004型連續(xù)LD驅(qū)動(dòng)電源，由于該電源在脈沖工作模式下重頻不能超過(guò)1 000 Hz，占空比不能超過(guò)50%，故設(shè)計(jì)了一個(gè)以555定時(shí)器為核心的方波發(fā)生電路，如圖3所示。

圖3 占空比可調(diào)的方波發(fā)生電路Fig.3 Square wave generator circuit with adjustable dutyfactor

從圖3可以看出，開始時(shí)C2電容的電壓Vc由于放電而降低，當(dāng)它的值低于下閾值Vcc/3時(shí)，觸發(fā)了定時(shí)器，輸出變成了高電平，致使放電晶體管被停止。這時(shí)C2電容充電開始，以(R1+R2)C的時(shí)常數(shù)趨近于Vcc。當(dāng)電容Vc上電壓達(dá)到2Vcc/3時(shí)，輸出又變成低電平，同時(shí)放電晶體管通電。C2電容再次經(jīng)由R1和放電晶體管放電，近似以R1C的時(shí)常數(shù)趨向于零。當(dāng)電容C上電壓下降到Vcc/3時(shí)，展開另一次往復(fù)。由此定時(shí)器頻繁持續(xù)振蕩，在輸出端發(fā)生矩形脈沖，于C2電容上形成近似鋸齒波的波形。通過(guò)改變R4的大小還可以調(diào)控電壓的高低，從而進(jìn)一步改變輸出方波的占空比。

圖4 方波發(fā)生器的輸出波形Fig.4 Output waveform of square wave generator

因此，可通過(guò)調(diào)節(jié)電阻R1來(lái)調(diào)節(jié)輸出方波的頻率，調(diào)節(jié)R4來(lái)調(diào)節(jié)輸出方波的占空比。為了減小外界環(huán)境對(duì)輸出波形的干擾，可在電路中加一個(gè)施密特整形電路來(lái)穩(wěn)定波形。方波發(fā)生器的輸出波形如圖4所示。

該方波發(fā)生器的具體輸出性能為:頻率50～1 000 Hz可調(diào)，占空比10% ～90%可調(diào)，電壓0～2 V可調(diào)。由于選定的泵浦源的最大輸入電流不能超過(guò)25 A，而實(shí)驗(yàn)中所用到的激光電源，其輸出電流與輸入電壓成正比關(guān)系。因此，方波發(fā)生器的高電平電壓不能超過(guò)1.92 V。

3.3 泵浦源

泵浦源選取要注意泵浦源的輸出中心波長(zhǎng)是否與鐿離子的吸收峰相匹配，同時(shí)要考慮泵浦源的輸出功率以及輸出光束質(zhì)量是否達(dá)到要求。

如果想在鐿離子976和1 030 nm的兩個(gè)發(fā)射峰處都能得到激光輸出，那么可以選擇915 nm輸出波長(zhǎng)來(lái)抽運(yùn)鐿摻雜雙包層光纖?；谝陨显?，為獲得高功率激光輸出，本文選用美國(guó)Spectra Physics公司的ME-100LD作為準(zhǔn)連續(xù)摻鐿雙包層光纖激光器的泵浦源，工作波長(zhǎng)為976 nm，實(shí)際輸出波長(zhǎng)為966 nm，最大輸出功率為25 W。

3.4 摻鐿雙包層光纖

采用了Nufern公司SM-YDF-5/130型單模鐿摻雜雙包層光纖，其內(nèi)包層為八邊形，纖芯直徑為6 μm。影響光纖的吸收性能的主要原因是纖芯摻雜濃度，也與內(nèi)包層構(gòu)造形狀有關(guān)系，本文選用稀土摻雜濃度較高的摻鐿雙包層光纖，內(nèi)包層形狀為八邊形，突破了圓對(duì)稱結(jié)構(gòu)的先例，有較高的吸收效能。實(shí)驗(yàn)選用的11 m八邊形內(nèi)包層形狀摻鐿雙包層光纖能夠達(dá)到飽和吸收。

3.5 光纖光柵

光纖激光器的諧振腔由高反光纖光柵、低反光纖光柵和摻鐿雙包層光纖構(gòu)成，光纖光柵的選擇對(duì)實(shí)驗(yàn)?zāi)芊襁_(dá)到預(yù)期效果很重要。實(shí)驗(yàn)中選用的高反光纖光柵的反射率為99.853%，長(zhǎng)度為10 mm;低反光纖光柵的反射率為8.722%，長(zhǎng)度為3 mm。高反射光柵和低反射光柵可通過(guò)的波長(zhǎng)均為(1 064±0.5)nm。實(shí)驗(yàn)結(jié)構(gòu)如圖5所示。

圖5 LD泵浦雙包層摻Y(jié)b3+光纖激光器結(jié)構(gòu)圖Fig.5 Schematic diagram of Yb3+-doped double-clad fiber laser pumped by LD

4 結(jié)果與討論

4.1 連續(xù)輸出摻鐿雙包層光纖激光器輸出特性

圖6 泵浦功率-電壓關(guān)系Fig.6 Relationship between pump power and voltage

為了更好地分析連續(xù)輸出摻鐿雙包層光纖激光器的光光轉(zhuǎn)換效率和斜率效率，研究了在連續(xù)輸出的情況下，光纖激光器的功率輸出情況，此時(shí)方波發(fā)生器是連續(xù)工作模式。調(diào)節(jié)直流電源的輸出電壓(0～1.92 V)，用功率計(jì)測(cè)量泵浦光的輸出。測(cè)量的泵浦光功率-電壓如圖6所示，泵浦光功率與輸入控制電壓之間呈線性關(guān)系，在最高控制電壓下，泵浦源尚未達(dá)到飽和。將另一只功率計(jì)放在光纖激光器的輸出端口，研究泵浦功率與光纖激光器輸出功率的關(guān)系，得到泵浦功率-輸出功率之間的關(guān)系，如圖7所示。光纖激光器的輸出功率隨著泵浦功率的增加而增加，但不呈線性關(guān)系，根據(jù)圖6，可能是由于低反射光纖光柵的反射率低造成的。低反光纖光柵的反射率降低，隨著泵浦功率的增加，更多的光從光纖光柵和摻鐿雙包層光纖所組成的諧振腔中射出，導(dǎo)致輸出功率增加。此時(shí)輸出功率和泵浦功率不再呈現(xiàn)線性關(guān)系。然而在低泵浦功率的情況下，輸出功率和泵浦功率大致呈線性關(guān)系。因此，在準(zhǔn)連續(xù)工作的情況下，可以不用更換低反光纖光柵繼續(xù)進(jìn)行試驗(yàn)，不會(huì)影響后續(xù)的實(shí)驗(yàn)結(jié)果。

圖7 泵浦功率-輸出功率關(guān)系Fig.7 Relationship between pump power and output power

4.2 準(zhǔn)連續(xù)輸出摻鐿雙包層光纖激光器輸出特性

圖8 50 Hz不同占空比下的光輸出功率Fig.8 Curves of laser output power under different dutyfactors with 50 Hz

為了驗(yàn)證激光器電源占空比和激光脈沖脈寬以及重復(fù)頻率之間的的關(guān)系，選取3組占空比和5組重頻，對(duì)不同占空比、重頻和脈寬情況下的脈沖激光輸出功率、光譜和波形進(jìn)行測(cè)量。經(jīng)過(guò)測(cè)試，在占空比為50%，頻率為50 Hz，脈寬為10 ms時(shí)，脈沖激光功率達(dá)到峰值2.67 W，此時(shí)電壓為2.0 V，如圖8所示。為了測(cè)定激光的穩(wěn)定性，每半個(gè)小時(shí)記錄一次數(shù)據(jù)，在3 h內(nèi)連續(xù)測(cè)量，表示在這一情況下，激光器可以長(zhǎng)時(shí)間的保持相對(duì)穩(wěn)定的工作狀態(tài)。

利用光譜儀測(cè)量輸出激光的光譜，測(cè)量結(jié)果如圖13所示，激勵(lì)光輸出中心波長(zhǎng)在1 064 nm，無(wú)明顯泵浦光出現(xiàn)，說(shuō)明泵浦光幾乎全部被吸收。如圖9～13所示，頻率相同情況下，占空比越大，激光輸出功率越大。在理論上，相同占空比情況下，輸出的光功率應(yīng)該是一致的，但是由于上升沿的弛豫現(xiàn)象，頻率越大的時(shí)候，功率下降越多，如圖14～16所示。

圖9 100 Hz不同占空比下的光輸出功率Fig.9 Curves of laser output power under different dutyfactors with 100 Hz

圖10 200 Hz不同占空比下的光輸出功率Fig.10 Curves of laser output power under different dutyfactors with 200 Hz

圖11 500 Hz不同占空比下的光輸出功率Fig.11 Curves of laser output power under different dutyfactors with 500 Hz

圖12 900 Hz不同占空比下的光輸出功率Fig.12 Curves of laser output power under different dutyfactors with 900 Hz

圖13 激光輸出中心波長(zhǎng)Fig.13 Curves of laser output center wavelength

圖14 占空比為10%時(shí)不同頻率下的光輸出功率Fig.14 Curves of laser output power under different frequencies with 10%dutyfactor

圖16 占空比為50%時(shí)不同頻率下的光輸出功率Fig.16 Curves of laser output power under different frequencies with 50%dutyfactor

5 結(jié)論

圖15 占空比為30%時(shí)不同頻率下的光輸出功率Fig.15 Curves of laser output power under different frequencies with 30%dutyfactor

對(duì)準(zhǔn)連續(xù)摻鐿光纖激光器進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究，從理論上闡明了光纖激光的工作原理，分析了稀土摻雜雙包層光纖的各項(xiàng)特性和能級(jí)系統(tǒng)，并通過(guò)實(shí)驗(yàn)對(duì)準(zhǔn)連續(xù)鐿摻雜光纖激光器的輸出特性進(jìn)行了研究。

本實(shí)驗(yàn)中光纖激光器輸出的中心波長(zhǎng)為1 064 nm。光纖激光器的輸出功率隨著脈寬和控制電壓的增加而增加，且在脈寬和控制電壓相同的情況下，輸出功率隨著頻率的增加而減少。分析結(jié)果表明:光纖激光器的輸出功率與方波發(fā)生器輸出方波的脈寬成正比，且與激光電源的脈沖上升時(shí)間有關(guān)，若能減少激光電源的脈沖上升時(shí)間，則在一定的范圍內(nèi)光纖激光器的功率輸出會(huì)有一定的上升。

摻Y(jié)b3+雙包層脈沖光纖激光器在重頻50 Hz和脈寬10 ms時(shí)測(cè)量得到最大脈沖輸出功率為2.67 W，無(wú)明顯熱光現(xiàn)象。在重頻相同情況下，占空比越大，激光輸出功率越大，而在占空比相同情況下，重頻越大，功率下降越明顯，這是由于重頻越大，電源上升沿時(shí)間積累越多，相應(yīng)激射的激光功率減小。

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