羅雪雪 陶汝茂2)3) 劉志巍 史塵2)3) 張漢偉2)3)王小林2)3)? 周樸2)3) 許曉軍2)3)

1)(國(guó)防科技大學(xué)前沿交叉學(xué)科學(xué)院,長(zhǎng)沙 410073)2)(國(guó)防科技大學(xué),高能激光技術(shù)湖南省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,長(zhǎng)沙 410073)3)(大功率光纖激光湖南省協(xié)同創(chuàng)新中心,長(zhǎng)沙 410073)4)(中國(guó)電子科技集團(tuán)有限公司第二十七研究所,鄭州 450047)

(2018年1月19日收到;2018年3月14日收到修改稿)

模式不穩(wěn)定發(fā)現(xiàn)于2010年,是影響高功率光纖激光器功率提升的重要限制因素.當(dāng)前模式不穩(wěn)定主要有兩類(lèi),一類(lèi)是動(dòng)態(tài)模式不穩(wěn)定,一類(lèi)是準(zhǔn)靜態(tài)模式不穩(wěn)定.本文研究了纖芯/內(nèi)包層直徑為25μm/400μm摻鐿雙包層光纖后向抽運(yùn)放大器中的模式不穩(wěn)定效應(yīng).通過(guò)對(duì)功率、光束質(zhì)量和時(shí)域數(shù)據(jù)的分析,發(fā)現(xiàn)在該放大器中出現(xiàn)了準(zhǔn)靜態(tài)模式不穩(wěn)定的現(xiàn)象,隨著抽運(yùn)功率的增加,放大器輸出光束質(zhì)量逐步退化,而時(shí)域上沒(méi)有發(fā)現(xiàn)明顯的動(dòng)態(tài)模式不穩(wěn)定特性.實(shí)驗(yàn)上對(duì)不同種子功率下放大器的輸出特性進(jìn)行研究,結(jié)果表明,通過(guò)提高種子激光功率可以較為有效地提高模式不穩(wěn)定閾值,在種子功率為528 W時(shí),當(dāng)輸出功率大于3000 W,輸出激光效率沒(méi)有明顯下降.

1 引 言

自2010年以來(lái),模式不穩(wěn)定效應(yīng)(mode instability,MI)已經(jīng)成為限制寬譜光纖激光器功率提升的重要因素之一[1?4].在MI出現(xiàn)之前,由于光纖中功率密度的不斷增加,進(jìn)而引起如受激拉曼散射、受激布里淵散射等非線性效應(yīng)[5],嚴(yán)重影響光纖激光器的功率提升和性能穩(wěn)定性.大模場(chǎng)直徑光纖的出現(xiàn)在一定程度上減輕了非線性效應(yīng)的影響,但模場(chǎng)直徑越大,光纖中支持的傳導(dǎo)模式越多,導(dǎo)致光纖中易于發(fā)生MI,在不控制熱負(fù)載的情況下減短光纖長(zhǎng)度將進(jìn)一步降低MI閾值功率[6,7].實(shí)驗(yàn)表明,當(dāng)輸出功率達(dá)到模式不穩(wěn)定閾值時(shí),光束質(zhì)量突然退化[8?10],采用包層光濾除手段后,輸出效率降低,也會(huì)造成一定程度的功率下降[11?14],在時(shí)域上由于模式間的動(dòng)態(tài)能量交換還能觀察到信號(hào)光的振幅起伏[15],嚴(yán)重阻礙了高功率光纖激光器功率的進(jìn)一步提升.

對(duì)于MI產(chǎn)生的機(jī)理幾乎都認(rèn)為與長(zhǎng)周期折射率光柵相關(guān),德國(guó)耶拿大學(xué)、克萊姆森大學(xué)等科研機(jī)構(gòu)的研究人員在建立模式不穩(wěn)定理論模型的過(guò)程中指出[16?21],光纖中的基模與激發(fā)的高階模光場(chǎng)間相互干涉,干涉光場(chǎng)對(duì)抽運(yùn)光進(jìn)行提取引起纖芯內(nèi)溫度的周期性分布,進(jìn)而由熱光效應(yīng)的影響產(chǎn)生折射率光柵,光柵與干涉光場(chǎng)間存在某種原因?qū)е碌南嘁?兩者作用后能量將在基模與高階模之間動(dòng)態(tài)轉(zhuǎn)換.2016年,美國(guó)空軍實(shí)驗(yàn)室的Ward[22]和丹麥科技大學(xué)的L?gsgaard[23]分別理論預(yù)測(cè)了準(zhǔn)靜態(tài)的模式不穩(wěn)定效應(yīng).與動(dòng)態(tài)MI不同的是,準(zhǔn)靜態(tài)MI在特定時(shí)間尺度上只有基模單向傳遞能量至高階模,且在光束質(zhì)量退化嚴(yán)重時(shí)時(shí)域上觀測(cè)不到起伏[10].他們認(rèn)為,相移產(chǎn)生的原因是光纖中逐漸加強(qiáng)的光子暗化效應(yīng)[24],由于該效應(yīng),光纖中的熱分布并不會(huì)隨著光場(chǎng)強(qiáng)度的變化即時(shí)改變,這就導(dǎo)致能量耦合過(guò)程發(fā)生在分鐘乃至小時(shí)的時(shí)間尺度上,表現(xiàn)出一種偽穩(wěn)態(tài)傳遞現(xiàn)象.

2017年,本課題組[25]在高功率雙包層摻鐿光纖振蕩器的實(shí)驗(yàn)中觀察到了準(zhǔn)靜態(tài)的模式不穩(wěn)定效應(yīng).當(dāng)輸出功率超過(guò)1.64 kW時(shí),輸出功率增長(zhǎng)變慢,在對(duì)光斑形態(tài)的監(jiān)測(cè)中發(fā)現(xiàn)了由LP01模向高階模退化的現(xiàn)象,時(shí)域上也并未出現(xiàn)如動(dòng)態(tài)MI的振蕩起伏.對(duì)比而言,通常激光器采用的近單模光纖支持的模式數(shù)量少,輸出的激光光束質(zhì)量較好,而實(shí)驗(yàn)中采用的增益光纖纖芯為20μm,即可允許少數(shù)高階模傳導(dǎo),這是觀察到準(zhǔn)靜態(tài)MI的原因之一.鑒于目前對(duì)大纖芯直徑光纖中的模式不穩(wěn)定效應(yīng)實(shí)驗(yàn)研究較少,之前的報(bào)道未對(duì)光束質(zhì)量等進(jìn)行詳細(xì)研究[25],本文從纖芯直徑為25μm的少模光纖(支持4—5個(gè)模式)放大器出發(fā),詳細(xì)地從功率、時(shí)域、光束質(zhì)量等方面對(duì)高功率光纖放大器中的準(zhǔn)靜態(tài)模式不穩(wěn)定效應(yīng)進(jìn)行研究.

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)構(gòu)

實(shí)驗(yàn)結(jié)構(gòu)如圖1所示,整個(gè)實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)采用非保偏主振蕩功率放大結(jié)構(gòu).振蕩器中,采用9×1的功率合束器將9個(gè)中心波長(zhǎng)為976 nm的光纖耦合半導(dǎo)體激光器(laser diode,LD)合為一束注入到諧振腔中.諧振腔由高反光柵(high reflector fiber Bragg gratings,HR-FBG)、增益光纖(large mode area ytterbium-doped fiber,LMAYDF)和低反射的輸出耦合光柵(output coupler fiber Bragg gratings,OC-FBG)構(gòu)成.其中HRFBG反射率為99%,OC-FBG反射率為10%,中心波長(zhǎng)在1080 nm,增益光纖纖芯、包層直徑分別為20和400μm.振蕩器輸出激光經(jīng)過(guò)兩段纖芯直徑分別為20和25μm的傳能光纖(GDF)制作的包層光濾除(cladding light stripper,CLS)后,注入放大器中.其中第二段CLS上的20—25μm光纖熔接點(diǎn),存在一定的纖芯尺寸失配.放大器采用后向抽運(yùn)結(jié)構(gòu),通過(guò)(6+1)×1的后向合束器分別將抽運(yùn)光和信號(hào)光注入到雙包層增益光纖中.雙包層摻鐿光纖的纖芯、內(nèi)包層直徑分別為25和400μm,在976 nm處包層吸收系數(shù)約為1.28 dB/m,總長(zhǎng)度約13 m.放大器中采用976 nm穩(wěn)波長(zhǎng)的LD,合束器單個(gè)抽運(yùn)臂的注入功率大于600 W,總抽運(yùn)功率可達(dá)3 kW以上.合束器信號(hào)輸入尾纖纖芯/內(nèi)包層直徑為25μm/400μm的光纖,輸出尾纖為纖芯/內(nèi)包層直徑25μm/250μm的光纖,抽運(yùn)臂纖芯尺寸為220μm,內(nèi)包層尺寸為242μm.在合束器輸出端同樣接入一段傳能光纖進(jìn)行包層光濾除,與光纖輸入臂尺寸為25μm/400μm的端帽(QBH)相匹配,以保證高質(zhì)量激光的輸出.

圖1 后向抽運(yùn)結(jié)構(gòu)的少模光纖放大器Fig.1.Few-mode fiber amplifier using counter-pump configuration.

在實(shí)驗(yàn)中,種子注入的輸出功率可以在30—703 W范圍內(nèi)連續(xù)可調(diào),光束質(zhì)量在1.2左右.種子激光經(jīng)過(guò)放大器后,由于包層光濾除的影響,使得實(shí)際輸出功率小于種子初始功率,如在種子初始功率690 W時(shí),輸出功率528 W;而且,由于熔點(diǎn)失配,在沒(méi)有抽運(yùn)光注入時(shí),放大器輸出光束質(zhì)量在1.5左右.

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

為了研究光纖放大器中的模式不穩(wěn)定效應(yīng),首先測(cè)量了在不同種子激光注入功率(86,234,381 W和528 W)下放大器輸出激光的功率變化,如圖2所示.未抽運(yùn)經(jīng)放大器輸出的種子激光從86 W增加至528 W時(shí),放大器輸出功率也呈線性增加,如在抽運(yùn)功率1093 W時(shí),86 W種子激光的輸出功率為1030 W,而528 W種子光對(duì)應(yīng)的輸出值為1340 W.從圖2中可以看到,對(duì)于不同大小的種子光功率,當(dāng)抽運(yùn)功率增加到某一定值時(shí),功率增長(zhǎng)緩慢,光-光效率下降.比如,在種子功率為86 W時(shí),當(dāng)抽運(yùn)功率大于2030 W,輸出效率開(kāi)始明顯下降,由87%降至29%.種子注入功率越高,效率下降點(diǎn)對(duì)應(yīng)的輸出功率越高.根據(jù)對(duì)全光纖模式不穩(wěn)定的研究分析,效率下降表示可能出現(xiàn)了較多的高階模式[12,15].

圖2 不同種子光注入下的放大器輸出Fig.2.Output power of the amplifier with Different seed laser power.

進(jìn)一步研究輸出激光的M2(光束質(zhì)量)特性,實(shí)驗(yàn)中測(cè)量了不同種子功率時(shí)放大器輸出激光光束質(zhì)量和遠(yuǎn)場(chǎng)光斑演變情況,結(jié)果如圖3所示.與圖2中的輸出功率對(duì)比,可以發(fā)現(xiàn),當(dāng)種子功率一定時(shí),在輸出效率下降點(diǎn)附近,光束質(zhì)量急速退化.如在圖3(a)中,種子功率為86 W,由于放大器增益光纖本身支持的模式數(shù)量較多,在未注入抽運(yùn)功率時(shí),光束質(zhì)量為1.5左右.隨著輸出功率的增加,兩方向的光束質(zhì)量逐漸退化.當(dāng)輸出功率達(dá)到1560 W時(shí),光束質(zhì)量在x方向的值陡然從2變?yōu)?.7,y方向從1.7變?yōu)?.3,且兩方向差距明顯變大.從光斑形態(tài)來(lái)看,出現(xiàn)了明顯的LP11模成分.類(lèi)似地,在不同種子功率情況下,都存在一個(gè)光束質(zhì)量惡化的突變點(diǎn),種子功率越高,光束質(zhì)量突變點(diǎn)對(duì)應(yīng)的輸出功率越高.圖3(d)中存在x,y兩方向光束質(zhì)量大小交替的現(xiàn)象,這是由于種子功率為528 W時(shí),光束質(zhì)量較低功率時(shí)已有明顯下降,種子信號(hào)光中已含有少量高階模式,再加上圖1中熔點(diǎn)失配將激發(fā)一定量高階模.當(dāng)種子信號(hào)光注入放大器中,隨著抽運(yùn)功率的增加,放大器內(nèi)部的高階模式被不同程度激發(fā),考慮到光纖本身布局等外部條件影響,x,y兩方向的傳輸模式將動(dòng)態(tài)改變,導(dǎo)致兩方向上光束質(zhì)量交替變化.

結(jié)合圖2與圖3的結(jié)果,不同種子激光功率對(duì)應(yīng)的光-光效率下降前后的輸出情況如表1所列,x,y兩方向光束質(zhì)量數(shù)據(jù)的平均值記為M2.由表1可見(jiàn),在注入其他種子功率的情況下也有相似結(jié)果,光-光效率降低的輸出功率點(diǎn)光束質(zhì)量存在突變,說(shuō)明此時(shí)輸出光束中已包含多個(gè)模式,從圖3中的光斑形態(tài)上也可以看出不再是近單模衍射光束.根據(jù)模式不穩(wěn)定特性,認(rèn)為此輸出功率點(diǎn)處MI已經(jīng)發(fā)生,如對(duì)于86 W種子功率,MI閾值即為1560 W.從表1中還可以看出,在種子光功率為528 W時(shí),輸出功率3090 W的效率下降情況相較于其他種子功率不是十分嚴(yán)重,這是因?yàn)樘岣叻N子功率對(duì)模式不穩(wěn)定效應(yīng)具有一定的抑制作用[26,27].在一定范圍內(nèi)提升種子功率,將減少上能級(jí)反轉(zhuǎn)粒子數(shù),進(jìn)而增強(qiáng)增益飽和效應(yīng),提高模式不穩(wěn)定效應(yīng)閾值.

表1 不同種子功率光-光效率下降前后的輸出情況Table1.Output results under Different seed power before/after the optical-to-optical efficiency dropped.

圖3 不同種子功率下放大器的光束質(zhì)量演化 (a)86 W;(b)234 W;(c)381 W;(d)528 WFig.3.Developing process of the amplifier beam quality under Different seed power:(a)86 W;(b)234 W;(c)381 W;(d)528 W.

確定模式不穩(wěn)定發(fā)生后,為進(jìn)一步分析激光模式是否出現(xiàn)動(dòng)態(tài)耦合,利用光電探測(cè)器測(cè)量并記錄輸出激光的時(shí)域數(shù)據(jù).研究表明[28],當(dāng)動(dòng)態(tài)模式不穩(wěn)定效應(yīng)發(fā)生時(shí),輸出激光時(shí)域信號(hào)會(huì)隨著基模與高階模之間的動(dòng)態(tài)耦合關(guān)系起伏,對(duì)時(shí)域信息進(jìn)行傅里葉變換后,得到的頻域圖像會(huì)出現(xiàn)其獨(dú)有的特征頻率尖峰.因此,根據(jù)探測(cè)器測(cè)得的數(shù)據(jù)即可判斷模式不穩(wěn)定的時(shí)域和頻域特征.圖4給出了在不同種子功率下,MI閾值處輸出光束的時(shí)/頻域圖.在100 ms的時(shí)間范圍內(nèi),四次閾值處的時(shí)域信號(hào)在模式不穩(wěn)定發(fā)生后沒(méi)有明顯起伏,通過(guò)傅里葉變換后,在頻域也未有明顯的特征頻譜出現(xiàn).結(jié)果表明,盡管輸出激光的光束質(zhì)量退化已經(jīng)十分嚴(yán)重,但在時(shí)/頻域上仍觀測(cè)不到動(dòng)態(tài)模式不穩(wěn)定特征.可以認(rèn)為,在本實(shí)驗(yàn)支持部分高階模傳導(dǎo)的少模光纖放大器中,高功率情況下出現(xiàn)的模式不穩(wěn)定為準(zhǔn)靜態(tài)的模式不穩(wěn)定效應(yīng),特定時(shí)間范圍內(nèi)的能量耦合為單向傳遞,不存在交替變化,因而探測(cè)器在時(shí)域上無(wú)法表征其出現(xiàn).

圖4 不同種子功率下閾值處輸出情況 (a)時(shí)域圖;(b)頻域圖Fig.4.Output results of the MI threshold points with various seed power:(a)Time domain traces;(b)frequency domain traces.

此處引入一種基于時(shí)域數(shù)據(jù)對(duì)動(dòng)態(tài)模式不穩(wěn)定是否出現(xiàn)的數(shù)值判定方法[29],可深入判斷少模光纖中是否出現(xiàn)動(dòng)態(tài)模式不穩(wěn)定效應(yīng).σ表示時(shí)域上信號(hào)光的偏移比,表示為

其中P(υ)表示頻率υ處的功率密度.當(dāng)模式不穩(wěn)定未出現(xiàn)時(shí),σ值很低,表示在0—30 kHz范圍內(nèi)功率密度起伏不明顯;而模式不穩(wěn)定的出現(xiàn)會(huì)在0—15 kHz內(nèi)激發(fā)特征頻率成分,導(dǎo)致σ的增加.根據(jù)定義,認(rèn)為當(dāng)σ增加至10%時(shí)即可判定信號(hào)光起伏幅度較大,動(dòng)態(tài)模式不穩(wěn)定出現(xiàn).以種子光功率234 W的放大器時(shí)域信號(hào)為例計(jì)算其在不同輸出功率下的σ值,結(jié)果如圖5所示.圖中數(shù)據(jù)表明,當(dāng)輸出功率達(dá)到MI閾值功率2030 W,對(duì)應(yīng)圖2(b)中光束質(zhì)量為2.8時(shí),σ還未達(dá)到5%,進(jìn)一步說(shuō)明了時(shí)域上確實(shí)未能觀測(cè)到信號(hào)光的動(dòng)態(tài)起伏.

圖5 234 W種子功率對(duì)應(yīng)的放大器σ值Fig.5.Calculated σ of the amplifier at 234 W seed power.

4 結(jié) 論

本文研究了后向抽運(yùn)少模光纖放大器中的模式不穩(wěn)定效應(yīng),從實(shí)驗(yàn)結(jié)果可以發(fā)現(xiàn),不同的種子功率下,當(dāng)抽運(yùn)功率達(dá)到某一值時(shí),輸出功率增長(zhǎng)幅度減小,光-光效率降低,另一方面,提高種子功率對(duì)于輸出功率有一定提升作用,當(dāng)種子激光功率增加至528 W時(shí),輸出功率在MI閾值3090 W處的效率下降幅度變緩;測(cè)量放大器光束質(zhì)量時(shí)不僅能觀測(cè)到退化過(guò)程,在效率降低點(diǎn)處還存在光束質(zhì)量的突變,輸出不同于近單模光纖的光斑形態(tài),據(jù)此判斷該功率處已發(fā)生模式不穩(wěn)定;進(jìn)一步研究不同種子功率下模式不穩(wěn)定閾值點(diǎn)的時(shí)域光信號(hào)時(shí),無(wú)論是示波器探測(cè)數(shù)據(jù)還是數(shù)值等式計(jì)算,都沒(méi)有明顯起伏,頻域也沒(méi)有特征頻率尖峰出現(xiàn),這與動(dòng)態(tài)模式不穩(wěn)定的耦合特性有著顯著差異.結(jié)果表明,由于少模光纖支持高階模式的傳導(dǎo),其模式不穩(wěn)定效應(yīng)為準(zhǔn)靜態(tài)過(guò)程,在光-光效率下降和光束質(zhì)量突變的同時(shí),發(fā)生從基模單向耦合能量至高階模的偽穩(wěn)態(tài)行為.

感謝張坤、徐小勇、劉思柳、陳林、宋濤的大力支持.