張 茂，任 鋼，劉文兵，夏惠軍，劉全喜，鐘 鳴

(西南技術(shù)物理研究所，成都610041)

引 言

摻Tm3+光纖激光器能輸出2μm左右的激光，工作在人眼安全的波段(大于1.4μm)，且處于大氣窗口內(nèi)，還存在幾個(gè)窄的水吸收峰，在遙感、探測(cè)、測(cè)距、雷達(dá)、空間光通信、醫(yī)療、軍事等方面有著廣泛的應(yīng)用，近年來(lái)成為國(guó)內(nèi)外研究的熱點(diǎn)［1－3］。793nm 激光抽運(yùn)摻Tm3+光纖激光器是獲得高功率2μm激光的有效途徑。2009年，MOULTON等人報(bào)道了輸出885W 的多模摻 Tm3+光纖激光器［4］。目前，摻Tm3+光纖激光器的最高輸出功率是Q－Peak公司在2010年P(guān)hotonics West會(huì)議上報(bào)道的超過(guò)1kW的輸出［5］。2009年，哈爾濱工業(yè)大學(xué)的ZHANG等人實(shí)現(xiàn)了全光纖摻Tm3+連續(xù)激光39.4W輸出［6］。本文中采用透鏡組耦合793nm激光二極管(laser diode，LD)抽運(yùn)摻Tm3+光纖，最終獲得了抽運(yùn)光耦合系統(tǒng)的耦合效率為84%左右;基于光纖光柵和光纖輸出垂直端面構(gòu)成諧振腔，摻Tm3+光纖激光器最大輸出激光34W，斜率效率為59%，中心波長(zhǎng)2001.2nm，光束質(zhì)量M2≤1.2。

1 理論分析

1.1 抽運(yùn)方案

2μm摻 Tm3+光纖激光器的抽運(yùn)方案有:3H6→3H4，3H6→3H5，3H6→3F4，793nm 抽運(yùn)光所對(duì)應(yīng)的能級(jí)躍遷為3H6→3H4，在較高摻雜濃度時(shí)，相鄰粒子間存在交叉弛豫效應(yīng)(3H4，3H6→3F4，3F4)，如圖1所示，吸收一個(gè)793nm抽運(yùn)光子，可以產(chǎn)生兩個(gè)2μm激光光子，理論最高量子效率為200%［7］。

圖2是在不計(jì)算交叉弛豫和計(jì)算交叉弛豫效應(yīng)時(shí)抽運(yùn)光沿光纖的分布。交叉弛豫效應(yīng)對(duì)抽運(yùn)光的吸收有重要的影響，計(jì)算交叉弛豫時(shí)的最佳光纖長(zhǎng)度遠(yuǎn)遠(yuǎn)短于不計(jì)算交叉弛豫時(shí)的情況。較短的光纖可以有效減小光纖激光器的非線性效應(yīng)，因此優(yōu)化Tm3+濃度，提高Tm3+之間的交叉弛豫過(guò)程，可以有效實(shí)現(xiàn)摻Tm3+光纖激光器的高功率、高效率運(yùn)轉(zhuǎn)。

Fig.1 Cross relaxation process(3H4，3H6→3F4，3F4)of Tm3+－doped fiber laser

Fig.2 The distribution of pump power along fiber

Fig.3 The distribution of pump power and signal power along fiber with 6m of fiber length

793nm抽運(yùn)光沿光纖長(zhǎng)度方向被銩光纖吸收，使Tm3+的3H6與3F4能級(jí)之間發(fā)生粒子數(shù)反轉(zhuǎn)，然后通過(guò)受激發(fā)射，產(chǎn)生2μm激光。圖3為光纖長(zhǎng)為6m時(shí)，光纖中抽運(yùn)光和產(chǎn)生的激光沿光纖分布。隨著抽運(yùn)光功率的減小，2μm激光功率逐漸增加，在6m左右時(shí)，輸出激光功率達(dá)到最大，當(dāng)繼續(xù)增加光纖長(zhǎng)度，輸出激光并不隨著增加，甚至減小，這是由于此時(shí)的增益小于損耗。影響光纖最佳長(zhǎng)度的因素較多，實(shí)際工程應(yīng)用中應(yīng)根據(jù)具體參量，結(jié)合實(shí)驗(yàn)研究確定光纖的最佳長(zhǎng)度。

1.2 抽運(yùn)光耦合系統(tǒng)

高功率摻Tm3+光纖激光器關(guān)鍵技術(shù)之一是抽運(yùn)光的高效耦合。抽運(yùn)方式有端面抽運(yùn)和側(cè)面抽運(yùn)兩種，按抽運(yùn)光具體耦合方式端面抽運(yùn)又分為透鏡組耦合、直接熔接耦合和錐導(dǎo)管耦合，其中透鏡組耦合是實(shí)驗(yàn)室常用的耦合方式之一，特點(diǎn)是結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、器件分離、容易實(shí)現(xiàn)等［8］。

本文中抽運(yùn)光耦合系統(tǒng)采用雙平凸透鏡組，具有較小的系統(tǒng)球差，圖4為耦合效率測(cè)試示意圖。

Fig.4 Schematic diagram of double lens coupling efficiency measurement

不考慮透鏡厚度和像差時(shí)，高斯光束經(jīng)耦合透鏡組的ABCD變換矩陣M為［9］:

式中，f1，f2分別為平凸透鏡 L1，L2的焦距;透鏡 L1，L2之間的距離為L(zhǎng);l是尾纖輸出端到L1距離，l'為L(zhǎng)2到耦合光纖輸入端的距離。設(shè)光束束腰w0位于抽運(yùn)源輸出尾纖端面處，可以由傳輸矩陣M得到經(jīng)過(guò)耦合透鏡組的出射光束束腰半徑w0'和束腰位置l':

要使抽運(yùn)光通過(guò)透鏡組系統(tǒng)后能夠高效地耦合進(jìn)光纖，需要滿足激光束腰直徑小于摻雜光纖內(nèi)包層直徑(dlaser＜dclad);而且激光束的發(fā)散角也要小于光纖內(nèi)包層的孔徑角(θlaser＜2arcsindNA，其中，dNA是數(shù)值孔徑)，滿足激光在光纖中傳輸?shù)娜瓷錀l件。

設(shè)定抽運(yùn)源采用Nlight公司的NL－P4S100－0793型半導(dǎo)體激光器，帶尾纖輸出。耦合透鏡由西格瑪公司提供，型號(hào)為 SLB－05－08P 和 SLB－06－10P 的BK7－平凸透鏡。在ZEMAX軟件里采用物理光學(xué)方法仿真，優(yōu)化透鏡間的距離，可以得到該耦合系統(tǒng)的耦合效率為94.8%，圖5是ZEMAX仿真結(jié)果。

Fig.5 The simulation results of coupling system using ZEMAX

1.3 熱效應(yīng)分析

摻Tm3+光纖激光器屬于準(zhǔn)二、三能級(jí)系統(tǒng)，熱效應(yīng)會(huì)嚴(yán)重影響輸出激光功率、斜率效率等。抽運(yùn)光輸入端熱效應(yīng)最集中，圖6是取Nufern公司型號(hào)為L(zhǎng)MA－TDF－25/400的銩光纖，將內(nèi)包層等效為圓形，抽運(yùn)光功率為100W時(shí)，光纖輸入端橫截面的溫度分布。纖芯溫度最高，與外包層溫度相差幾個(gè)開(kāi)爾文，但是外包層可承受的溫度較低(423K～473K)，長(zhǎng)期穩(wěn)定工作，應(yīng)低于353K，在較高功率運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)必須對(duì)光纖進(jìn)行散熱處理［10］。

Fig.6 The temperature distribution of the cross section of fiber

在不同的冷卻條件下，具有不同的換熱系數(shù)。圖7是換熱系數(shù)h分別為 200W·m－2·K－1，1000W·m－2·K－1，2000W·m－2·K－1和 3000W·m－2·K－1、抽運(yùn)光功率為100W時(shí)，光纖端面的溫度分布。當(dāng)采用水自然對(duì)流冷卻時(shí)，換熱系數(shù)h取值范圍為200W·m－2·K－1～ 1000W·m－2·K－1［11］，因此能夠滿足對(duì)摻Tm3+光纖的有效冷卻。

Fig.7 Radial temperature distribution at input end with different heat transmission coefficient

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1 抽運(yùn)光耦合系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)

實(shí)驗(yàn)中所用抽運(yùn)源是Nlight公司的NL－P4S100－0793型半導(dǎo)體激光器，輸出抽運(yùn)光波長(zhǎng)為793nm，尾纖直徑400μm，數(shù)值孔徑dNA=0.22。選用的耦合透鏡是西格瑪公司的BK7－平凸透鏡，型號(hào)為SLB－05－08P 和 SLB－06－10P，焦距分別為 8mm 和 10mm。利用一段22.4cm無(wú)源光纖作為測(cè)試光纖，其參量與Nufern公司型號(hào)為L(zhǎng)MA－TDF－25/400的銩光纖基本相同，內(nèi)包層直徑為400μm。

分別測(cè)量透過(guò)透鏡組的激光功率Pi、耦合光纖輸出端激光功率Po，可以得到透過(guò)透鏡組耦合效率為η=(Po/Pi)×100%。圖8為通過(guò)透鏡組耦合輸入與輸出激光功率關(guān)系，利用最小二乘法擬合可以得到系統(tǒng)的耦合效率為84%。由于透鏡組耦合實(shí)驗(yàn)對(duì)調(diào)節(jié)裝置精度要求比較高，耦合激光光斑與光纖輸入端之間難以避免地存在橫向、縱向和角度等誤差，因此實(shí)驗(yàn)結(jié)果與仿真有一定的差距。如果改進(jìn)調(diào)節(jié)裝置的調(diào)節(jié)精度，可以獲得更高的耦合效率。

Fig.8 Output power varing with the input laser power in the experiment of double lens coupling system

2.2 摻Tm3+光纖激光器實(shí)驗(yàn)

793nm激光抽運(yùn)摻Tm3+光纖激光器，對(duì)應(yīng)的躍遷能級(jí)為3H6→3H4，當(dāng)摻Tm3+濃度較高時(shí)，相鄰粒子間存在交叉弛豫效應(yīng)，可以獲得較高的量子轉(zhuǎn)換效率。實(shí)驗(yàn)中所用銩光纖為Nufern公司提供的LMA－TDF－25/400型號(hào)的光纖，內(nèi)包層為八邊形，具體參量如表1所示。

Table 1 Parameters of Tm3+－doped fiber

圖9a為摻Tm3+光纖激光器實(shí)驗(yàn)裝置原理圖，圖9b是實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)實(shí)物圖。抽運(yùn)光由透鏡組耦合進(jìn)入光纖光柵的一端，光纖光柵的另一端與摻Tm3+光纖直接熔接，光纖光柵對(duì)793nm抽運(yùn)光高透，2μm激光高反;摻Tm3+光纖另一端面的菲涅耳反射作為輸出耦合;最后，經(jīng)濾波器濾除剩余的793nm抽運(yùn)光，得到2μm左右激光輸出。其中，光纖布喇格光柵(fiber Bragg grating，F(xiàn)BG)由加拿大Teraxion公司提供，纖芯和外包層直徑分別為25μm，400μm，與摻Tm3+光纖尺寸匹配。

實(shí)驗(yàn)的關(guān)鍵是要保證抽運(yùn)光的高效耦合，以及對(duì)摻雜光纖的冷卻。采用透鏡組耦合抽運(yùn)光的方式，采用了分離器件，實(shí)驗(yàn)中對(duì)調(diào)節(jié)精度要求比較高。針對(duì)光纖端面熱積累比較多，容易燒毀，實(shí)驗(yàn)過(guò)程中應(yīng)避免光纖端面損傷、污染，以免使光纖的毀傷閾值降低。圖10是分別采用水冷和冰水混合物冷卻摻Tm3+光纖時(shí)，輸出激光隨吸收的抽運(yùn)光功率的變化。當(dāng)溫度較低時(shí)，輸出的功率和斜率效率都獲得了提高。

Fig.9 Experiment setup of Tm3+ －doped fiber lasers of double lens coupling pump laser

Fig.10 Output power varing with the absorbed power with different cooling conditions

Fig.11 Output power of 2μm laser varing with the absorbed power

圖11為輸出的2μm激光功率隨吸收的抽運(yùn)光的變化關(guān)系。得到該摻Tm3+光纖激光器的閾值功率約為8.7W，在入纖抽運(yùn)光功率為70W時(shí)，最高輸出34W、2μm左右激光，同時(shí)也存在8W抽運(yùn)光未被吸收。表明適當(dāng)增加摻Tm3+光纖長(zhǎng)度，抽運(yùn)光功率吸收更充分，可以獲得更高功率的2μm激光輸出。由圖10可知，相對(duì)吸收的抽運(yùn)光功率，該摻Tm3+光纖激光器斜率效率為59%，整個(gè)系統(tǒng)的光光轉(zhuǎn)換效率為34%。當(dāng)輸出激光功率達(dá)到最大時(shí)，效率并沒(méi)有下降的趨勢(shì)，如果進(jìn)一步增加抽運(yùn)光功率，能獲得更高功率的2μm激光輸出。輸出激光的中心波長(zhǎng)為2001.2nm，光束質(zhì)量為M2≤1.2。該摻Tm3+光纖激光器具有進(jìn)一步優(yōu)化的空間，摻Tm3+光纖太短，抽運(yùn)光未能充分吸收;摻Tm3+光纖激光器的熱效應(yīng)對(duì)輸出激光功率影響較大。另外，抽運(yùn)光耦合系統(tǒng)也是限制輸出功率的重要影響因素。

3 小結(jié)

對(duì)透鏡組耦合系統(tǒng)和摻Tm3+光纖激光器進(jìn)行了研究，并對(duì)平凸透鏡組耦合抽運(yùn)光的方式進(jìn)行了分析，討論了摻Tm3+光纖激光器的交叉弛豫效應(yīng)以及熱效應(yīng)。實(shí)驗(yàn)中測(cè)得耦合系統(tǒng)透過(guò)透鏡組的耦合效率達(dá)到84%，最終摻Tm3+光纖激光器系統(tǒng)輸出激光34W，斜率效率為59%，中心波長(zhǎng)2001.5nm，光束質(zhì)量M2≤1.2。實(shí)驗(yàn)研究表明，冷卻溫度較低時(shí)，輸出激光功率和斜率效率都有所提高。可以從以下幾個(gè)方面提高該摻Tm3+光纖激光器的性能，即適當(dāng)增加銩光纖長(zhǎng)度;改進(jìn)冷卻系統(tǒng);提高耦合系統(tǒng)效率。該摻Tm3+光纖激光器輸出功率僅受限于抽運(yùn)光功率，如果增加抽運(yùn)光功率，可以輸出更高功率的2μm激光。

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