王一礴1) 陳瑰1) 謝璐1) 蔣作文1)2) 李進(jìn)延1)2)?

1)(華中科技大學(xué)光電子科學(xué)與技術(shù)學(xué)院，武漢 430074)

2)(武漢國家光電實驗室，武漢 430074)

(2012年7月20日收到;2012年9月11日收到修改稿)

1 引言

與傳統(tǒng)的固體激光器相比，光纖激光器有其獨特的優(yōu)點，例如結(jié)構(gòu)緊湊、有利于散熱、抽運效率高等等.在20世紀(jì)80年代末美國Polaroid公司提出雙包層光纖之后，光纖激光器得到了飛速發(fā)展[1-5].近年來，摻鐿光纖激光器由于轉(zhuǎn)換效率高、無濃度猝滅等優(yōu)點，逐漸在光纖激光器領(lǐng)域里扮演著重要角色，其輸出功率由毫瓦量級增長到現(xiàn)在的萬瓦量級.無論在工業(yè)、醫(yī)學(xué)還是軍事等領(lǐng)域，高功率摻鐿光纖激光器都有著廣泛的應(yīng)用前景.

然而在追求高功率的過程中，熱效應(yīng)逐漸成為一個極大的制約因素，除了改進(jìn)抽運光的耦合方式以減小耦合熱損耗外，由于光纖本身的損耗帶來的熱問題也同樣影響到激光器的穩(wěn)定運轉(zhuǎn).同帶級聯(lián)抽運可以減小光纖激光器的量子虧損，從而減少熱效應(yīng)的影響.2009年6月，IPG公司推出了一臺10 kW的連續(xù)單模摻鐿光纖激光器，它所采用的就是同帶級聯(lián)抽運的結(jié)構(gòu)[6].該激光器先由975 nm的LD抽運出1018 nm的激光，再用1018 nm抽運放大1 kW的1070 nm種子源.由于1018 nm的光纖激光器光束質(zhì)量好、亮度高，因此其放大級抽運光利用率高.受激離子的量子虧損被定義為 η=1-hν1/hν2，其中 h 是普朗克常數(shù)，ν1和ν2分別是激光頻率和抽運光頻率.當(dāng)抽運波長和激光波長相差較大時，ν1和ν2也相差較大，這樣就增加了量子虧損.由于激光器中的大部分熱都來自于量子虧損，因此，降低量子虧損是熱管理的有效途徑.相比于975 nm抽運，1018 nm抽運1070 nm時量子虧損小，在熱管理方面有極大的優(yōu)勢.因此，1018 nm光纖激光器的研究成為重要課題.近期，國內(nèi)有很多科研單位進(jìn)行了這方面的研究[7,8].2012年，國防科技大學(xué)報道了113 W主振蕩功率放大結(jié)構(gòu)的1018 nm全光纖激光器[9].然而目前所報道的1018 nm光纖激光器效率不高，這極大程度上要歸因于增益光纖的選取.傳統(tǒng)的摻鐿光纖在1018 nm處的發(fā)射截面很小，因此不適合作為1018 nm光纖激光器的增益介質(zhì).主振蕩功率放大的結(jié)構(gòu)固然可以提高輸出功率，但不能從根本上擺脫增益介質(zhì)的限制.本文利用改進(jìn)化學(xué)氣相沉積(MCVD)工藝和氣相-液相復(fù)合摻雜的方法，通過對工藝參數(shù)和摻雜組分的不斷改進(jìn)，使光纖的熒光次峰藍(lán)移，并得到了1018 nm激光的高效率輸出.

2 原理及制備

Yb3+離子的能級結(jié)構(gòu)很簡單，只包括2F5/2和2F7/2兩個多重態(tài)，因此不存在激發(fā)態(tài)吸收，并且光轉(zhuǎn)化效率高.在光纖中，Yb3+離子的這兩個能級在基質(zhì)的影響下會產(chǎn)生Stark分裂，其周圍電場的非均勻分布消除了能級簡并，因此對于給定的電子躍遷，將出現(xiàn)精細(xì)結(jié)構(gòu).Yb3+離子在915 nm和975 nm處有兩個吸收峰，在975 nm和1036 nm處有兩個發(fā)射峰.

在玻璃系統(tǒng)中，Yb3+離子處于網(wǎng)絡(luò)修飾體的位置且與六個氧原子連接，每個氧原子的另一端連接著網(wǎng)絡(luò)構(gòu)成體.如果這些網(wǎng)絡(luò)構(gòu)成體擁有不同的場強(qiáng)、極化率或氧配位數(shù)時，Yb3+離子就處于一個非對稱的環(huán)境中(圖1).這些差別越大，環(huán)境的非對稱度就越大，將導(dǎo)致更大的發(fā)射截面[10].同時，基質(zhì)還會引起聲子加寬，當(dāng)兩個能級之間發(fā)生躍遷時，會伴隨著聲子的能量傳遞，在一定條件下，這將引起Yb3+離子吸收和發(fā)射譜的擴(kuò)展，并改變吸收和發(fā)射譜的中心波長.為了增加1018 nm激光輸出的斜率效率，就要通過改變摻雜成分將Yb3+離子的發(fā)射次峰藍(lán)移并增加1018 nm處的發(fā)射截面.研究表明，共摻P，Al等離子可以使得Yb3+離子周圍環(huán)境對稱度降低，增加聲子加寬，增大發(fā)射截面并改變熒光峰的位置[11,12].

Yb3+離子不存在濃度猝滅，因此其摻雜濃度主要取決于Yb3+離子在基質(zhì)中的溶解度.石英光纖中Yb3+離子容易發(fā)生團(tuán)簇，使得預(yù)制棒芯部出現(xiàn)析晶現(xiàn)象.研究發(fā)現(xiàn)摻入P和Al可以增加石英光纖中Yb3+離子的溶解度.當(dāng)Al2O3作為網(wǎng)絡(luò)形成體時，是以[AlO]四面體的形式存在的，相比于[SiO]四面體，[AlO]四面體擁有負(fù)電價，因此要吸附陽離子以保持電中性，這樣就提高了Yb3+離子的溶解度.當(dāng)P2O5作為網(wǎng)絡(luò)形成體時，情況與Al2O3不同.P和O構(gòu)成[PO]四面體，其中有一個鍵是雙鍵，雙鍵的另一端沒有其他離子(圖2)，這個通過雙鍵與P鏈接的氧原子稱為非橋氧.Yb3+離子作為網(wǎng)絡(luò)修飾體，填隙于玻璃網(wǎng)絡(luò)中，這使得非橋氧得到增加.這種結(jié)構(gòu)可以提高Yb3+離子的溶解度[13].根據(jù)以上理論，經(jīng)過綜合考慮，確定了以P和Al為基本共摻元素，并配以其他元素，以達(dá)到改變Yb3+離子周圍環(huán)境對稱性從而改變摻鐿光纖熒光次峰位置的目的.

傳統(tǒng)的摻鐿光纖是單摻Al類的，一般采用MCVD工藝和液相摻雜的方法.本實驗的光纖預(yù)制棒的制備方法為MCVD工藝和氣相-液相復(fù)合摻雜法，其大體過程為：1)首先在較高的溫度下于純石英反應(yīng)管內(nèi)壁沉積一層透明的包層，這一層沉積的主要是SiO2;2)然后在較低溫度下沉積疏松層，由于反應(yīng)溫度較低，所以這一層顆粒之間存在大量空隙，為不透明狀，在這一步，由于POCl3常溫下為液體，所以可以通過氧氣鼓泡將POCl3蒸氣帶入反應(yīng)管進(jìn)行反應(yīng)沉積P2O5;3)再將共摻Al等元素的Yb3+溶液倒入反應(yīng)管，Yb3+等離子會擴(kuò)散到疏松層的空隙當(dāng)中;4)最后在高溫下將反應(yīng)管縮實.

圖1 Yb3+離子周圍非對稱環(huán)境

圖2 [PO]四面體

由于P2O5的揮發(fā)溫度很低，所以在預(yù)制棒制備過程中，P2O5極易揮發(fā)，因此高濃度摻雜磷成為一個難題.目前MCVD過程中，一般采用正向沉積進(jìn)行摻雜(圖3(a)).在此過程中，氧化物會在火焰的上游沉積，當(dāng)火焰經(jīng)過上游的沉積物時，會將其燒結(jié).而我們采用反向沉積(圖3(b))工藝，因為在此過程中，氧化物會在火焰的下游沉積，這樣就沒有了燒結(jié)的過程，避免了P2O5的過度揮發(fā)，從而使疏松層的厚度得到了保證.其難點在于要合理地調(diào)整沉積溫度、氣體流量、管內(nèi)壓強(qiáng)、火焰移動速度等參數(shù)，使疏松層的致密度恰到好處，不能過于致密，否則溶液摻雜時Yb3+離子無法進(jìn)入疏松層;又不能過于疏松，否則沉積物容易脫落.

圖3 沉積示意圖 (a)正向沉積;(b)反向沉積

3 實驗結(jié)果與分析

首先對特制的摻鐿光纖預(yù)制棒切片和普通單摻鋁的摻鐿光纖預(yù)制棒切片進(jìn)行了熒光測試，得到的熒光光譜如圖4所示.相比于普通摻鐿光纖預(yù)制棒切片的1025 nm，很明顯特制的摻鐿光纖預(yù)制棒切片的熒光次峰位置發(fā)生了藍(lán)移，其中心波長在1008 nm.而且還可以從圖中看出熒光光譜得到了展寬，這是因為在共摻多種元素的情況下，Yb3+周圍的配位場的對稱度降低，使得Stark分裂和能級展寬加劇.

將預(yù)制棒拉制成雙包層光纖，芯徑為15μm，內(nèi)包層直徑為130μm.在不加光柵的情況下對不同長度的增益光纖進(jìn)行了自由運轉(zhuǎn)測試，觀察其自發(fā)輻射的強(qiáng)度和自激波長.研究發(fā)現(xiàn)，在不同增益光纖長度的情況下，均可以自激，并且隨著光纖長度的減小，自激波長逐漸藍(lán)移.圖5給出了增益光纖長度與自激波長的關(guān)系.通過理論推導(dǎo)，光纖長度與激射波長的關(guān)系可以用公式表示為

其中Zu和Zl分別為激光上下能級簇的函數(shù)，Eul為激光上下能級Stark分裂而形成的兩能級簇的最低能級差，K為玻爾茲曼常數(shù)，T為溫度，h為普朗克常數(shù)，λ為激射波長，L為光纖長度，Nt為摻雜濃度.σap和σep分別為抽運波長的吸收和發(fā)射截面，Ip和Ic分別為抽運光強(qiáng)和飽和抽運光強(qiáng).

由此可知，較大的L會激發(fā)出更長的波長的激光.另外，在實驗中發(fā)現(xiàn)，與自激強(qiáng)度相比，自發(fā)輻射強(qiáng)度很小，相差有30 dB以上.

圖4 預(yù)制棒切片熒光光譜

圖5 光纖長度與自激波長的關(guān)系

激光器結(jié)構(gòu)如圖6所示，采用全光纖結(jié)構(gòu)，由975 nm半導(dǎo)體激光器抽運，一對中心波長在1018 nm的光纖光柵構(gòu)成諧振腔，其中一個光柵在1018 nm處的反射率為98%，另一個光柵用作輸出端，在1018 nm處的發(fā)射率為24%.將諧振腔尾端的一段光纖的外包層剝除，外表涂上高折射率涂料以濾除抽運光.光纖輸出端面切成了8°傾角防止反射光對系統(tǒng)造成損傷.

我們嘗試了不同長度的增益光纖.依據(jù)上述實驗結(jié)果，將增益光纖長度選取為更有利于短波長激射的4，6和8 m.測得濾除抽運光前后的輸出功率，得到了1018 nm輸出功率和剩余抽運光功率(圖7(a)—(c)).觀察可知，光纖長為6 m時激光功率最大，而光纖長為8 m時剩余抽運光最少.其原因在于6 m的增益光纖沒有充分吸收抽運光，使得很多抽運功率被浪費，而8 m的增益光纖雖然吸收了更多的抽運光，但由于不利于短波長激光的激射，造成激光輸出功率下降.在此基礎(chǔ)上，對7 m的增益光纖進(jìn)行了測試(圖7(d))，與上述結(jié)果對比發(fā)現(xiàn)，在增益光纖長度為7 m時，輸出功率最大，并且剩余抽運光較少，因此確定最佳長度為7 m.當(dāng)抽運光功率為22 W時，有13.6 W的激光輸出，光-光效率達(dá)到了68%;當(dāng)抽運功率為44 W時，輸出功率為22.8 W，光-光效率為62.8%.在實驗過程中，沒有明顯的自發(fā)輻射和飽和現(xiàn)象.抽運光功率為47 W時，激光輸出的光譜如圖8(a)所示，中心波長為1018.3 nm，譜寬為0.076 nm.

圖6 激光器結(jié)構(gòu)示意圖

圖7 不同長度光纖的激光輸出功率和剩余抽運光功率

利用同樣的結(jié)構(gòu)對傳統(tǒng)的摻鐿光纖進(jìn)行了激光測試，得到了在最佳長度情況下的激光光譜.與我們制備的光纖進(jìn)行對比(如圖8)可以看出，新型光纖的信噪比遠(yuǎn)遠(yuǎn)優(yōu)于傳統(tǒng)光纖.另外將輸出功率和剩余抽運光功率也進(jìn)行了測試，與之前測得的結(jié)果進(jìn)行對比(如圖9和圖10)可以看出，新型的摻鐿光纖輸出功率更高，而且剩余抽運光更少，從而減少了光纖內(nèi)部的殘余熱量，有利于熱管理.

圖8 傳統(tǒng)摻鐿光纖與新型摻鐿光纖激光光譜對比

圖9 傳統(tǒng)摻鐿光纖與新型摻鐿光纖輸出功率對比

圖10 傳統(tǒng)摻鐿光纖與新型摻鐿光纖剩余抽運光功率對比

4 結(jié)論

針對同帶抽運光纖激光器的要求，通過調(diào)整摻鐿光纖纖芯材料組分和改進(jìn)光纖制備工藝進(jìn)行了1018 nm激光輸出的實驗研究.實驗結(jié)果表明，制備的有利于1018 nm激光輸出的雙包層摻鐿光纖，光光效率接近70%，且沒有明顯的自發(fā)輻射和飽和現(xiàn)象.在44 W抽運時輸出功率達(dá)到22.8 W，信噪比為36 dB.這一系列結(jié)果均為首次報道.與傳統(tǒng)摻鐿光纖進(jìn)行對比得知，這種光纖在1018 nm處具有更高的轉(zhuǎn)化效率，而且有利于減少光纖內(nèi)的熱負(fù)載.通過光纖材料的優(yōu)化設(shè)計和制備工藝的進(jìn)一步改進(jìn)，有望進(jìn)一步提高在1018 nm的激光輸出效率.

感謝上海光機(jī)所周軍老師和王建華博士在激光測試方面的大力協(xié)助.

[1]Pask H M，Archambault J L，Hanna D C，Reekie L，Russell P S J，Townsend J E，Tropper A C 1994Electron.Lett.30 863

[2]Zellemer H，Willamowski U，Tu¨nnermann A，Welling H 1995Opt.Lett.20 578

[3]Zellmer H，Tu¨nnermann A，Welling H，Reichel V 1997Optical Amplifiers and Their Applications(OAA)Victoria，Canada，July 21，1997

[4]Dominic V，MacCormack S，Waarts R，Sanders S，Bicknese S，Dohle R，Wolak E，Yeh P S，Zucke E 1999Electron.Lett.35 1158

[5]Jeong Y，Sahu J K，Payne D N，Nilsson J 2004Opt.Exp.12 6088

[6]Richardson D，Nilsson J，Clarkson W 2010J.Opt.Soc.Am.B 27 63

[7]Xiao H，Leng J Y，Wu W M，Wang X L，Ma Y X，Zhou P，Xu X J，Zhao G M 2011Acta Phys.Sin.60 124207(in Chinese)[肖虎，冷進(jìn)勇，吳武明，王小林，馬閻星，周樸，許曉軍，趙國民2011物理學(xué)報60 124207]

[8]Li Z，Zhou J，He B，Wei Y R，Dong J X，Lou Q H 2011Chin.Opt.Lett.9 091401

[9]Liu Z J，Xiao H，Zhou P，Wang X L，Chen J B 2012Chin.J.Lasers39 0305009(in Chinese)[劉澤金，肖虎，周樸，王小林，陳金寶2012中國激光39 0305009]

[10]Zou X L，Toratani H 1995Phys.Rev.B 52 889

[11]Kirchhof J，Unger S 1999Optical Fiber Communication Conference 1999,and the International Conference on Integrated Optics and Optical Fiber Communication.OFC/IOOC’99.Technical DigestSan Diego，CA，F(xiàn)eb 21—26 1999，196

[12]Kirchhof J，Unger S，Schwuchow A，Jetschke S，Knappe B 2005SPIEBellingham，WA，2005 261

[13]Vienne G G，Caplen J E，Dong L，Minely J D，Nilsson J，Payne D N 1998J.Lightwave Technol.16 1990