陳益沙 廖雷 李進延

(華中科技大學,武漢光電國家研究中心,武漢 430074)

1 引 言

在過去的幾十年中,光纖激光器作為一種新型的固體激光器,獲得了長足且迅速的發(fā)展.相較于傳統(tǒng)的固體激光器而言,光纖激光器有著諸多的優(yōu)點: 優(yōu)秀的熱管理性能、高的轉換效率、結構緊湊并且?guī)缀趺饩S護.而且隨著諸如大模場雙包層光纖拉制工藝的逐漸發(fā)展與成熟和高功率高亮度半導體激光器的出現(xiàn),高功率光纖激光器的輸出功率水平在近年來得到了迅速發(fā)展[1].對于連續(xù)激光器,單纖輸出功率水平已經達到10 kW[1,2]; 對于脈沖激光器而言,超短脈沖激光器的輸出也已經達到近kW的水平[3].然而,輸出功率水平的繼續(xù)增長受到了最近發(fā)現(xiàn)的新現(xiàn)象—模式不穩(wěn)定效應(mode instability,MI)的限制.MI是指輸出激光功率超過某個特定的水平后,光纖激光器的輸出模式會出現(xiàn)隨時間明顯有關的隨機變化,主要表現(xiàn)在光纖的激光器的輸出模式成分的變化,而且輸出光的光束質量會大大惡化[4].MI已成為高功率光纖激光器輸出功率進一步提升及其應用的最大障礙,近年來引起全世界各國學者的極大興趣.

2010年,德國耶拿大學的研究人員Eidam等[3]首次在光纖激光器中觀察到了模式不穩(wěn)定現(xiàn)象,隨后科學界對于模式不穩(wěn)定現(xiàn)象進行了大量深入的理論和實驗研究,并對這一現(xiàn)象的認識取得了相當大的進展.盡管模式不穩(wěn)定現(xiàn)象準確的物理本質尚未完全解釋清楚[4],但是光纖中熱致折射率光柵的形成是高功率光纖激光器中模式不穩(wěn)定的主要原因已基本成為科學界的共識[5?7].對于模式不穩(wěn)定的研究,德國耶拿大學、美國空軍實驗室、丹麥科技大學和美國克萊姆森大學處于國際領先[4?6,8?19],我國的國防科技大學對模式不穩(wěn)定現(xiàn)象進行了大量的研究,處于國內領先地位[20?29].文獻[6]指出,若要模式之間存在能量轉移,則干涉模式與熱致折射率光柵之間必須存在一定的相位差,并認為這一相位差的根源主要是因為干涉模式之間存在一定的頻率差.目前而言,大部分的理論模型的建模均采用這一頻率差假設.2013年,美國克萊姆森大學的研究人員Dong[19]指出,光纖中MI的物理本質是光纖中的受激熱瑞利散射(stimulated thermal Rayleigh scattering,STRS),光纖材料的非線性響應與模間干涉之間存在一個相移,而這一相移是STRS獲得增益的原因所在.2015年,德國耶拿大學的研究人員Otto等[30]在實驗中發(fā)現(xiàn)光子暗化對模式不穩(wěn)定有著密切而重大的影響,并提出盡管光子暗化盡管只導致少量的功率損耗,但仍然會大幅降低模式不穩(wěn)定閾值.2016年,美國空軍實驗室的研究人員Ward[31]和丹麥科技大學的研究人員L?gsgaard[32]分別從理論上預言了準靜態(tài)模式不穩(wěn)定 (quasi-static mode instability,QSMI)的存在,并指出光子暗化和多程放大是引起QSMI的原因.國防科技大學對模式不穩(wěn)定的影響因素進行了大量的實驗和理論模擬研究,表明優(yōu)化抽運波長,降低光纖芯包比,優(yōu)化光纖彎曲直徑有利于抑制模式不穩(wěn)定[23,25,27].但是,以上的理論和實驗研究主要針對主振蕩功率放大(master oscillator power amplifier,MOPA)結構的光纖激光器,針對光纖振蕩器中的模式不穩(wěn)定研究較少有公開的文獻發(fā)表,研究光纖振蕩器中的模式不穩(wěn)定對于理解不同機理和條件下的模式不穩(wěn)定有著重要的意義.

本文從實驗上利用不同數(shù)值孔徑(numerical aperture,NA)的國產有源光纖搭建了輸出功率為kW量級的光纖振蕩器并進行了MI的研究.通過一定程度上降低有源光纖的NA,光纖振蕩器的模式不穩(wěn)定閾值得到了提升,實驗結果表明一定程度上優(yōu)化降低有源光纖的NA有利于提升光纖振蕩器的模式不穩(wěn)定閾值,對于進一步提升光纖振蕩器的輸出功率和拓展光纖振蕩器的應用范圍,有著重要的現(xiàn)實意義.

2 實驗裝置

本實驗采用的有源摻鐿光纖為本課題組自行設計拉制,采用傳統(tǒng)的改進的化學氣相沉積法(modified chemical vapor deposition,MCVD)工藝制成,纖芯直徑為 20 μm,包層形狀為八邊形,尺寸為400 μm.搭建好的光纖振蕩器如圖1所示,采用6個輸出波長為976 nm的高功率半導體激光器作為抽運源,經過 (6 + 1)×1 的合束器再注入高反布拉格光柵 (high reflective fiber bragg grating,HR FBG)后注入有源摻鐿光纖中經過輸出耦合光柵 (output coupler fiber bragg grating,OC FBG)后輸出.合束器信號臂光纖結構為雙包層光纖,其纖芯/包層直徑和NA分別為20/400 μm和 0.065,HR FBG和 OC FBG采用的光纖均為雙包層光纖,光纖纖芯/包層直徑均為20/400 μm.HR FBG在中心波長1080 nm處的反射率為99%左右,其 3 dB 帶寬約為 3 nm,相對應的 OC FBG在1080 nm處的反射率約為10%,其3 dB帶寬也約為3 nm.所用光纖具體的參數(shù)見表1.

圖1 光纖振蕩器結構圖 (抽運源為 976 nm 波長的激光器)Fig.1.Experimental setup of fiber oscillator pumped by 976 nm LDs.

表1 實驗中使用摻鐿光纖的參數(shù)Table 1.Yb-doped fiber parameter applied in the experiment.

OC FBG后端接入包層光濾除器和端帽用于濾除包層中的激光和抑制端面反射,包層光濾除器的尾纖和OC FBG完全匹配,最終通過端帽輸出的激光射入功率計中測量輸出功率,光電探測器測量功率計靶面反射出的散射光信號并將其轉換為電信號輸入示波器.上述所有器件均置于水冷熱沉上保證足夠的散熱,以維持激光器持續(xù)穩(wěn)定的輸出.

3 實驗結果與分析

當使用光纖1搭建的光纖振蕩器測試時,其輸出功率-抽運功率曲線如圖2所示.在注入的抽運功率在1400 W時,經過包層光濾除器后的輸出功率為 1140 W,對應的光光效率為 81.4%; 當繼續(xù)增加注入抽運功率到1500 W時,輸出功率從1140 W下降到1120 W,此時對應的光光效率僅為74.7%,光光效率出現(xiàn)了大幅度的降低,并伴隨有一定程度的功率起伏,在光光效率下降的同時,光電探測器測得的散射光信號的標準差也出現(xiàn)了明顯的增加,說明模式不穩(wěn)定現(xiàn)象已經出現(xiàn).為進一步分析光纖1中的MI,對光電探測器采集到的時域信號進行了處理,如圖3所示.

圖2 光纖1的輸出功率-抽運功率曲線 (a) 輸出功率/光光效率-抽運抽運功率關系; (b) 輸出功率/歸一化標準差-抽運功率關系Fig.2.Output power and pump power curve of fiber 1: (a) Correlation between output power/optical-optical efficiency and pump power; (b) output power/normalized standard deviation and pump power.

圖3 光纖 1 的輸出功率時域信號 (a) 1400 W 抽運源; (b) 1500 W 抽運源Fig.3.Output time domain of different power of fiber 1: (a) 1400 W pump power; (b) 1500 W pump power.

由圖3可知,當注入的抽運功率為1400 W時(此時輸出功率為1140 W),對應的光光效率為81.4%,時域輸出信號基本保持穩(wěn)定; 而當注入功率增至 1500 W 時 (此時輸出功率為 1120 W),對應的光光效率僅為74.7%,時域輸出信號較之前發(fā)生明顯的波動,對應在圖2中表示為明顯的標準差值的增加,證明此時模式不穩(wěn)定已發(fā)生.同時,輸出功率在注入抽運功率從1400 W增加到1500 W時不升反降,主要是由于發(fā)生模式不穩(wěn)定時,基模向高階模耦合時因為彎曲泄露到包層之中被包層光濾除器濾掉,在實驗中觀察到包層光濾除器在模式不穩(wěn)定發(fā)生時溫度顯著升高也說明了這一點.進一步對光纖1輸出的時域信號做Fourier變換后,得到的頻域圖如圖4所示.由圖4可以清晰地看出,在注入抽運功率為1400 W時,頻率信號除直流分量之外沒有其他明顯的頻率成分; 而在增加注入抽運功率到1500 W時,出現(xiàn)了一些直流分量之外的其他頻率成分,與1400 W注入功率時的頻域信號大不相同.根據(jù)以上分析,我們認為光纖1在注入功率為1500 W時確實發(fā)生了模式不穩(wěn)定.

為進一步研究光纖NA對激光振蕩器中的模式不穩(wěn)定的影響,換用光纖2重新測量了其激光性能,其輸出功率-抽運功率如圖5所示.在注入功率為 1500 W 時,輸出功率為 1140 W,其對應的光光效率為76.0%; 繼續(xù)增加注入功率到1600 W時,輸出功率為 1210 W,此時對應的光光效率為75.6%,光光效率較光纖1不發(fā)生模式不穩(wěn)定時較低.由光電探測器測量得到的標準差歸一化值均在一個較小的范圍之內波動,如圖5所示,表征輸出信號功率的波動較小,無明顯的劇烈波動,而且在包層光濾除器上也未觀察到明顯的溫度增加,說明對于光纖2而言,保持1600 W的注入功率未觀察到明顯的模式不穩(wěn)定現(xiàn)象.此時功率的進一步提升僅僅受限于抽運功率.

圖4 光纖 1 的輸出功率頻域信號 (a) 1400 W 抽運源; (b) 1500 W 抽運源Fig.4.Output frequency domain of different power of fiber 1: (a) 1400 W pump power; (b) 1500 W pump power.

圖5 光纖 2 的輸出功率-抽運功率曲線 (a) 輸出功率/光光效率-抽運功率關系; (b) 輸出功率/歸一化標準差-抽運功率關系Fig.5.Output power and pump power curve of fiber 2: (a) Correlation between output power/optical-optical efficiency and pump power; (b) output power/normalized standard deviation and pump power.

圖6 光纖 2 的輸出功率時域信號 (a) 1500 W 抽運源; (b) 1600 W 抽運源Fig.6.Output time domain of different power of fiber 2: (a) 1500 W pump power; (b) 1600 W pump power.

圖7 光纖 2 的輸出功率頻域信號 (a) 1500 W 抽運源; (b) 1600 W 抽運源Fig.7.Output frequency domain of different power of fiber 2: (a) 1500 W pump power; (b) 1600 W pump power.

為進一步確認光纖2在1600 W注入功率的條件下未發(fā)生模式不穩(wěn)定,對光纖2的輸出時域信號進行了處理,結果如圖6所示.當注入抽運功率為1500 W時,輸出的時域信號基本保持穩(wěn)定,未見明顯的波動,僅有因噪聲導致的小幅度變化,當注入抽運功率達到1600 W時,輸出的時域信號與注入抽運功率為1500 W時相比無明顯變化,也基本保持穩(wěn)定且無明顯波動,而且頻域信號在注入抽運功率為1500 W和1600 W時幾乎保持一致(見圖7),無明顯高頻分量出現(xiàn),因此結合以上判據(jù),確認光纖2在整個輸出階段均未發(fā)生模式不穩(wěn)定.

以上實驗結果表明,盡管光纖1在未發(fā)生模式不穩(wěn)定之前,其光光效率(81.4%)較光纖2的光光效率(75.6%)高,從轉換效率而言光纖1的熱負載較光纖2更低,但光纖2卻表現(xiàn)出更高的模式不穩(wěn)定閾值,主要是因為光纖1的NA較光纖2的NA更大.一方面,NA較大的光纖支持傳輸?shù)哪Ｊ皆蕉? 另一方面,較大的纖芯NA通常意味著較重的摻雜,因此一般會有較大的吸收.如圖8所示,NA的減小對基模在光纖中的分布相對影響較小,而對LP11模的影響較大(圖8中的τ表達了對應的模式在纖芯中功率的比例),主要會使LP11模更多地延伸進入光纖包層中,從而減小了LP11模的纖芯部分與光纖摻雜(增益)區(qū)的重疊,因此LP11模的增益會隨著NA的減小而降低,模式不穩(wěn)定閾值相應地上升.

此外,LP11模的彎曲損耗對于光纖NA的變化極其敏感,圖9給出了在不同的光纖NA下光纖的彎曲損耗隨著光纖的彎曲直徑變化的關系.由圖9可知,當NA減小時,高階模式的彎曲損耗會極大地增加,這會導致更多的高階模式由于光纖的彎曲泄露進入包層之中,減少了高階模式和光纖摻雜(增益)區(qū)的重疊,從而導致LP11模的增益會隨著NA的減小而降低,模式不穩(wěn)定閾值相應地增加.

圖8 具有不同 NA 光纖中的 LP01 和 LP11 模式分布 (a) LP01; (b) LP11Fig.8.LP01 and LP11 mode profile in fiber at different NA: (a) LP01; (b) LP11.

圖9 具有不同 NA光纖的 LP11彎曲損耗隨彎曲直徑變化曲線Fig.9.Bending loss of LP11 versus bending radius at different fiber core NA.

4 結 論

本實驗對不同NA的光纖搭建了激光振蕩器并測試了它們的激光效率和模式不穩(wěn)定閾值.實驗結果表明,使用NA為0.064的光纖,其模式不穩(wěn)定閾值為 1140 W,功率的進一步提升受到了MI的限制; 將光纖改為NA為0.059的光纖,最大輸出功率為 1210 W,斜率效率正常,無 MI發(fā)生,功率的進一步提升受到最大注入抽運功率的限制.實驗結果和數(shù)值模擬表明,光纖的NA對光纖振蕩器的模式不穩(wěn)定閾值有顯著影響,一定程度上降低光纖的NA有利于提升光纖振蕩器的模式不穩(wěn)定閾值.