劉家興 劉俠 鐘守東 王健強(qiáng) 張大鵬 王興龍

1) (天津大學(xué)精密儀器與光電子工程學(xué)院,天津 300072)

2) (珠海光庫科技股份有限公司,珠海 519080)

1 引 言

激光自問世至今,得益于其優(yōu)異的特性,已經(jīng)廣泛應(yīng)用于科研、軍事、工業(yè)、醫(yī)療等各個(gè)領(lǐng)域[1,2].其中光纖激光器具有緊湊性好、穩(wěn)定性高、成本低的特點(diǎn),近年來發(fā)展迅猛.特別是在工業(yè)加工切割領(lǐng)域,高功率光纖激光器大放異彩,使得加工質(zhì)量與效率明顯提高[3–6].隨著工業(yè)加工的需求越來越大,光纖激光器的輸出功率也在不斷突破,從數(shù)百瓦到上千瓦,再到數(shù)千瓦乃至現(xiàn)在的萬瓦級別,為工業(yè)加工提供了更為鋒利的工具[7–13].

局限于光纖的非線性效應(yīng),光纖器件的水平以及激光器的設(shè)計(jì)等,光纖激光器輸出功率的進(jìn)一步提高越發(fā)困難.從激光器系統(tǒng)設(shè)計(jì)的角度,激光器的斜率效率、背向漏光以及受激拉曼散射在高功率光纖激光器中尤為重要,這些參數(shù)的最優(yōu)化從一定意義上決定了激光器最終的輸出功率.從單元器件角度,光纖光柵對作為光纖激光器中的關(guān)鍵器件,為激光的振蕩提供了諧振腔,起到了核心的作用.光纖光柵對的參數(shù)設(shè)計(jì)與匹配,會(huì)直接影響到整個(gè)激光系統(tǒng)的性能.

由于抽運(yùn)光光子和激光光子間的量子虧損,光纖激光器中的斜率效率不可能達(dá)到100%,通常的連續(xù)光纖激光器效率低于80%[14,15],其中損耗的能量絕大部分都以熱量的形式耗散,因此熱管理技術(shù)在激光器的設(shè)計(jì)中至關(guān)重要,散熱處理從一定意義上可以決定一臺(tái)激光器的功率水平.從源頭上考慮,提高斜率效率意味著熱量來源的減少,同等抽運(yùn)功率下輸出的激光功率也隨之增加.

通常諧振腔內(nèi)振蕩的激光受限于光纖光柵的光譜寬度.一方面,高反光柵的反射率不可能達(dá)到全反射,常用的反射率一般大于99%[16],因此會(huì)存在不到1%的背向漏光; 另一方面,隨著振蕩激光功率的上升,光纖的非線性效應(yīng)會(huì)使振蕩激光的光譜逐漸展寬,當(dāng)振蕩激光的光譜寬度超過高反光柵的光譜寬度時(shí),超出的部分也會(huì)以背向漏光的形式出現(xiàn),而且功率相對較大.現(xiàn)有的光纖激光器方案中[7–9,17,18],抽運(yùn)激光會(huì)經(jīng)過光纖光柵后注入諧振腔內(nèi),腔內(nèi)的背向漏光不可避免會(huì)有一部分通過抽運(yùn)光合束器反饋到各個(gè)抽運(yùn)源中,功率越大,損壞抽運(yùn)源的風(fēng)險(xiǎn)越高.

受激拉曼散射是指高強(qiáng)度的激光和物質(zhì)分子發(fā)生強(qiáng)烈的相互作用,使散射過程具有受激發(fā)射的性質(zhì),這種散射光是拉曼散射光,該光學(xué)效應(yīng)稱受激拉曼散射[19–21].受激拉曼散射表現(xiàn)出閾值特性,是一種三階非線性效應(yīng),當(dāng)信號激光功率密度達(dá)到一定強(qiáng)度時(shí),信號光的光子與介質(zhì)聲子間的相互作用,出現(xiàn)受激拉曼散射峰,圖1所示為受激拉曼散射過程的能級示意圖.受激拉曼散射具有高強(qiáng)度性和好的方向性,它的強(qiáng)度可以達(dá)到與入射激光相當(dāng),并且發(fā)散角接近,因此在高功率光纖激光器中,受激拉曼散射的出現(xiàn)嚴(yán)重影響著激光功率的進(jìn)一步上升,甚至?xí)?dǎo)致激光功率的衰減.拉曼增益系數(shù)是描述受激拉曼散射最為重要的參數(shù),它與激發(fā)光(即本文中的信號激光)和受激拉曼散射光的頻率差相關(guān).圖2為當(dāng)信號光波長為1 μm附近時(shí),熔融石英的歸一化拉曼增益系數(shù)gR與頻率差W的關(guān)系曲線(取信號光與受激拉曼散射光的偏振相同)[19].從拉曼增益譜中可看到,石英光纖在頻率偏移為13 THz附近有一個(gè)最強(qiáng)峰,這是由石英玻璃材料本身的非晶體特性決定的.實(shí)際上,受激拉曼散射是從產(chǎn)生于整個(gè)光纖長度上的自發(fā)拉曼散射建立起來的,如果將整個(gè)光纖長度分割為許多微小的長度單位,那么每個(gè)單位長度的受激拉曼散射強(qiáng)度都滿足如下關(guān)系:

圖1 受激拉曼散射過程能級示意圖Fig.1.Energy level of the stimulated Raman scattering process.

其中Is為受激拉曼散射光(斯托克斯光)的光強(qiáng),Ip為抽運(yùn)光強(qiáng)(即文中的信號光強(qiáng)),as為受激拉曼散射光在光纖中的損耗系數(shù).從(1)式可知,隨著抽運(yùn)光和受激拉曼散射光的增強(qiáng),所產(chǎn)生的受激拉曼散射光會(huì)進(jìn)一步增強(qiáng).也就是隨著信號光在光纖中的傳輸,受激拉曼散射光會(huì)不斷增強(qiáng),且增強(qiáng)的速度隨著自身強(qiáng)度與信號光強(qiáng)度的增加而增加.光纖長度越長,受激拉曼散射光強(qiáng)的總強(qiáng)度也越強(qiáng).

圖2 當(dāng)信號光與受激拉曼散射光同偏振時(shí),熔融石英在波長為1 μm附近的歸一化拉曼增益曲線Fig.2.Raman-gain spectrum for fused silica at the pump wavelength of 1 μm.

當(dāng)在光纖中輸出的受激拉曼散射光功率與信號光功率相等時(shí),把此刻信號光的功率定義為受激拉曼散射閾值,假設(shè)拉曼增益譜為洛倫茲線形,滿足如下關(guān)系:

其中Leff為有效光纖長度,Aeff為有效模場面積.

其中L為光纖長度,αp為光纖對抽運(yùn)光的損耗系數(shù).

從(2)式可知,拉曼增益系數(shù)越大,有效光纖長度越長、有效模場面積越小,受激拉曼散射閾值也就越低.

圖3為常用光纖激光器的光路結(jié)構(gòu)簡圖,光纖光柵對提供了諧振腔,有源光纖吸收了抽運(yùn)光,自發(fā)輻射熒光中的一部分通過高反光柵(HR)和低反光柵(OC)的反射得到反饋而形成振蕩.振蕩初期,由于OC的反射帶寬較窄,僅在OC反射帶寬內(nèi)的激光得以在腔內(nèi)振蕩放大,得到激光輸出,此時(shí)輸出激光的光譜與OC光譜一致; 隨著功率的上升,光纖的非線性效應(yīng)使得激光的光譜逐漸展寬,輸出激光的光譜也逐漸展寬; 在高功率的情況下,由于較高的激光強(qiáng)度,光纖中的受激拉曼散射出現(xiàn)并逐步增強(qiáng); 同時(shí),展寬后的激光光譜超過HR的部分會(huì)從HR中泄露.受激拉曼散射與背向漏光都會(huì)對激光器的斜效率造成影響.因此,在高功率的光纖激光器中,輸出激光的斜率效率、受激拉曼散射、HR背向漏光就成為了限制功率進(jìn)一步增長的重要因素,如果能得到最優(yōu)參數(shù)的輸出激光,也就意味著所能到達(dá)到的功率越大化.

圖3 光纖激光器光路簡圖Fig.3.Diagram of fiber laser.

目前工業(yè)領(lǐng)域常用的高功率連續(xù)光纖激光器中,波長通常為 1080 nm 附近,HR 光纖光柵的帶寬最普遍的為 2 nm,反射率要求 99% 以上; OC的參數(shù)范圍較大,反射率在4%—15%之間.從上述分析中可知,OC的參數(shù)對激光的振蕩與輸出影響更為直接.此前的研究也發(fā)現(xiàn),光纖激光器中OC的參數(shù)對受激拉曼散射的強(qiáng)度影響較大,但是對斜率效率與背向漏光的研究不多[14,22,23].只追求單方面的優(yōu)化往往會(huì)對其他方面的參數(shù)造成惡化,例如光譜越寬的輸出光譜能夠有效降低受激拉曼散射的強(qiáng)度,但是過寬的光譜可能會(huì)導(dǎo)致背向漏光的急劇上升,限制了激光功率的提高.本文主要采用不同參數(shù)的OC光柵進(jìn)行匹配研究,針對斜率效率、背向漏光和受激拉曼散射等關(guān)鍵參數(shù),得到光纖光柵對的參數(shù)匹配對激光輸出特性的影響.最后綜合評估與平衡,優(yōu)化光纖光柵對的參數(shù),為提高光纖激光器輸出功率及輸出參數(shù)質(zhì)量提供了參考.此外,在光纖光柵樣品的選取上,以工業(yè)應(yīng)用的光纖激光器中最為普遍使用的參數(shù)為基礎(chǔ),旨在使得研究結(jié)論更具實(shí)踐意義.

2 實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)

圖4為實(shí)驗(yàn)光路圖,為我們自行搭建的高功率連續(xù)光纖激光器,其中有源光纖對波長為915 nm抽運(yùn)光的吸收系數(shù)為 0.4 dB/m,纖芯大小 20 μm,包層大小為 400 μm (Nufern,LMA-YDF-20/400-M),為了保證對抽運(yùn)光的充分吸收,選用有源光纖的長度為40 m,激光輸出最佳的斜率效率可在70%以上.無源光纖尺寸參數(shù)與有源光纖一致.無源器件全部來源于珠海光庫科技股份有限公司(AFR),其中包括抽運(yùn)光合束器(HPPC-(18+1)x 1-22-20-20)、光纖光柵 (HPCG-P1500-1080-2-1)、包層光濾除器(CPS-915-SSSS-SS-200-8-Q)、輸出準(zhǔn)直器(Dragon-2-1080-020-15-16-S)等.抽運(yùn)源為一組105/125 μm輸出光纖的光纖耦合半導(dǎo)體激光器(BWT),最高可提供功率共計(jì)1400 W、波長為915 nm 的抽運(yùn)光.從上文的理論分析可知,更長的光纖可以有效提高總的受激拉曼散射功率,為了使得受激拉曼散射效應(yīng)更為明顯,我們在諧振腔內(nèi)熔接了兩段長度為3 m的無源光纖以增加光纖長度,以便在實(shí)驗(yàn)中更容易對比不同條件下的受激拉曼散射差異.但從激光輸出斜率效率看,光纖長度的增加以及額外的熔接點(diǎn),使得激光腔的損耗更大,導(dǎo)致實(shí)驗(yàn)中所搭建的激光器效率有所降低.激光通過準(zhǔn)直器輸出后,再經(jīng)過玻璃片分光(分光比為98∶2)分別由功率計(jì) PM1 (Ophir,5000 W-BB-50-V1)和光譜分析儀OSA(ANDO,AQ6374)測試輸出功率與光譜.背向漏光經(jīng)過合束器后由尾部信號光纖輸出,通過功率計(jì) PM2(Ophir,F150A-BB-26)進(jìn)行測試,考慮到合束器以及相關(guān)熔接點(diǎn)的插入損耗,實(shí)驗(yàn)中所測得的背向漏光功率比實(shí)際偏小,但并不影響實(shí)驗(yàn)結(jié)論.

圖4 高功率連續(xù)光纖激光器實(shí)驗(yàn)光路圖 PC,抽運(yùn)光合束器; HR,高反光纖光柵; OC,低反光纖光柵; YDF,有源光纖; GDF,無源光纖; CPS,包層光濾除器; QBH,輸出準(zhǔn)直頭; G,分光玻璃片; OSA,光譜分析儀; PM1,PM2,光功率計(jì)Fig.4.Diagram of high power continue wave fiber laser in experiment.PC,pump combiner; HR,high reflection fiber grating; OC,low reflection fiber grating; YDF,active fiber; GDF,passive fiber; CPS,cladding power stripper; QBH,quartz block head of a fiber optics cable; G,beam splitter; OSA,spectrum analyzer; PM1 and PM2,power meters.

為了探究光柵對參數(shù)的匹配對光纖激光器輸出特性的影響,實(shí)驗(yàn)選取了兩組光柵對樣品,其中每組樣品包括一個(gè) HR (AFR ClearCutTMFBG)和一系列不同參數(shù)的 OC (AFR ClearCutTMFBG).第一組的高反光柵HR中心波長為1080.4 nm,光譜帶寬 (透射譜–13 dB 處)為 2.0 nm,反射率為99%以上,透射譜如圖5(a)所示; OC光譜帶寬(反射譜的半高全寬)分別為 0.78,0.91,1.0,1.31 和 1.61 nm,中心波長和反射率相同,都為1080.4 nm附近以及10%附近,典型反射光譜如圖5(b)所示,為近似平頂型光譜.第二組樣品的高反光柵HR中心波長為1080.4 nm,光譜帶寬為2.0 nm,反射率大于 99%,透射譜如圖6(a)所示;OC 反射率分別為 2.6%,5.2%,10.3% 及 11.6%,中心波長和光譜帶寬相同,都為1080.4 nm附近和1.0 nm,他們的典型反射光譜如圖6(b)所示,反射光譜中帶有尖峰形狀.

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

3.1 低反光柵光譜帶寬對激光輸出特性的影響

首先采用第一組HR與不同參數(shù)OC的組合,探究OC光譜帶寬對激光輸出特性的影響.分別將不同組合的光柵對接入到光纖激光器系統(tǒng)中,測試輸出功率、背向漏光以及輸出光譜特性.

圖5 第一組光纖光柵光譜圖 (a)為高反光柵透射譜; (b)為低反光柵反射譜Fig.5.Spectra of the first group of fiber gratings: (a) Transmission spectrum of the high reflection grating; (b) reflection spectrum of the low reflection grating.

圖6 第二組光纖光柵光譜圖 (a)為高反光柵透射譜; (b)為低反光柵反射譜Fig.6.Spectra of the second group of fiber gratings: (a) Transmission spectrum of the high reflection grating; (b) reflection spectrum of the low reflection grating.

圖7(a)為不同光譜帶寬的OC對應(yīng)的輸出功率曲線,在同樣的抽運(yùn)光注入下,其中帶寬為0.78 nm的OC輸出功率最高,達(dá)894 W (對應(yīng)的抽運(yùn)光功率為1296 W),但是不同OC輸出功率差異較小,斜率效率的差異小于1%,可見本文采用的OC光譜帶寬差異范圍對輸出激光的斜率效率影響較小.

圖7(b)為不同光譜帶寬的OC對應(yīng)的背向漏光功率曲線,從中可以明顯發(fā)現(xiàn),在同等條件下,光譜帶寬越寬,背向漏光越強(qiáng).對于本文中所采用的 HR (光譜帶寬為 2.0 nm),當(dāng) OC 的光譜帶寬為 0.78 nm 時(shí),背向漏光最小,最高為 2.82 W; 隨著光譜帶寬的增加,分別為 0.91,1.0 及 1.31 nm時(shí),背向漏光增強(qiáng),但是相互之間功率差別不明顯;當(dāng)光譜帶寬增加到1.63 nm時(shí),背向漏光明顯增強(qiáng),在抽運(yùn)光功率為774 W時(shí)已經(jīng)高達(dá)11.6 W,嚴(yán)重影響激光器的正常運(yùn)轉(zhuǎn).從產(chǎn)生機(jī)理上,背向漏光的主要來源為輸出激光光譜展寬后超出HR的部分.當(dāng)OC的光譜帶寬較窄時(shí),輸出激光的光譜較窄,展寬后超過HR的部分很小,因此背向漏光較小; 當(dāng)OC的光譜帶寬增加到一定寬度后,輸出激光的光譜較寬,已經(jīng)接近HR光譜帶寬,隨著功率的增加,光譜不斷展寬,超出HR的部分明顯增多,因此背向漏光會(huì)急劇增加.

圖7 不同光譜帶寬低反光柵激光輸出特性 (a) 輸出功率曲線; (b) 背向漏光曲線Fig.7.Output characteristics of the fiber laser with low reflection gratings of different bandwidth: (a) Output power curve;(b) backward leaked power curve.

圖8 不同光譜寬度的低反光柵輸出光譜特性 (a)低反光柵光譜寬度為 0.78 nm; (b) 低反光柵光譜寬度為 0.91 nm; (c) 低反光柵光譜寬度為 1.0 nm; (d) 低反光柵光譜寬度為 1.31 nmFig.8.Spectra of output laser with low reflection gratings of different bandwidth: (a) 0.78 nm bandwidth; (b) 0.91 nm bandwidth;(c) 1.0 nm bandwidth; (d) 1.31 nm bandwidth.

由于光譜帶寬為1.63 nm的OC樣品背向漏光過大,導(dǎo)致無法輸出高功率,因此沒有采集其光譜數(shù)據(jù).其他不同組合的輸出激光光譜特性如圖8所示.隨著輸出功率的不斷增加,輸出激光的光譜逐步展寬,當(dāng)輸出激光功率在700 W附近時(shí),可以觀察到在1135 nm附近受激拉曼散射峰出現(xiàn),同時(shí)受激拉曼散射峰的強(qiáng)度隨著輸出功率的增加而增強(qiáng).對比不同光譜帶寬的 OC,可以明顯發(fā)現(xiàn),光譜帶寬較寬的OC與HR組合,受激拉曼散射峰出現(xiàn)的閾值功率較高,且在同樣的輸出功率下,激光輸出峰與受激拉曼散射峰的對比度較高.圖9所示是當(dāng)激光輸出功率為840 W時(shí),不同光譜帶寬OC的組合對應(yīng)的光譜特性圖,可以看出,隨著光譜帶寬的增加,受激拉曼散射強(qiáng)度降低,即對比度提高.從受激拉曼散射產(chǎn)生的機(jī)理分析,結(jié)合上文的理論公式(1)式—(3)式可以知道,當(dāng)信號激光的光譜增寬時(shí),偏移拉曼增益曲線中最大值的部分就增多,意味著有效拉曼增益減小; 從本文測試的結(jié)果看,信號激光與受激拉曼散射光的頻率差在拉曼增益譜15 THz附近的尖峰位置處,該峰值寬度較窄(小于1 THz),偏離峰值的部分拉曼增益迅速降低.因此,隨著 OC光譜帶寬的增加,振蕩激光的帶寬增加,光譜分布更寬,有效的拉曼增益減小,因此受激拉曼散射閾值也就更高,最終同等輸出功率下的強(qiáng)度較弱.綜合以上測試結(jié)果,可知OC光譜帶寬對激光輸出特性的影響.

圖9 同等輸出功率 (840 W)下,不同光譜寬度的低反光柵受激拉曼散射峰對比圖Fig.9.Stimulated Raman scattering of low reflection gratings with different bandwidth at the output power of 840 W.

對于輸出激光的斜率效率,結(jié)果反映出光譜帶寬對斜率效率的影響不明顯,最終激光器輸出的功率差異不大.從背向漏光功率看,光譜帶寬的差異影響較明顯,帶寬越寬背向漏光越明顯,具體原因在前文已經(jīng)分析過.而對于受激拉曼散射,恰恰與對背向漏光的影響相反,更寬的光譜使得受激拉曼散射產(chǎn)生的閾值更高,從而強(qiáng)度更低,實(shí)驗(yàn)的結(jié)果與理論分析相符.從改變OC的光譜帶寬角度,背向漏光與受激拉曼散射為一對矛盾點(diǎn),想要獲得綜合性能高的激光輸出特性,需要根據(jù)實(shí)際選取合理的HR與OC的光譜帶寬,以得到較小的背向漏光以及相對低的受激拉曼散射強(qiáng)度.從本文選取的參數(shù)看,對于光譜帶寬為 2.0 nm 的 HR,OC 可以選取1.0—1.3 nm帶寬的參數(shù)進(jìn)行匹配,這樣在千瓦級光纖激光器中可以得到綜合參數(shù)較好的激光輸出.

3.2 低反光柵反射率對激光輸出特性的影響

接著采用第二組HR與OC的組合,探究OC反射率對激光輸出特性的影響.同樣地,分別將不同組合的光柵對接入到光纖激光器系統(tǒng)中,測試輸出功率、背向漏光以及輸出光譜特性.

圖10(a)為不同反射率的OC對應(yīng)的輸出功率曲線,在同樣的抽運(yùn)光注入下,其中反射率為5.2%的OC輸出功率最高,反射率為10.3%的OC輸出功率最低,但是不同OC輸出功率差異較小,對應(yīng)斜率效率的差異也在1%附近,可見本文采用的OC的反射率差異范圍對輸出激光的斜率效率影響較小.理論上模擬分析[14,24,25]發(fā)現(xiàn)存在最優(yōu)反射率,從本文結(jié)論上看,在5%附近,我們在后續(xù)的工作中將會(huì)針對該問題深入模擬分析.

圖10(b)為不同反射率的OC對應(yīng)的背向漏光功率曲線,從中可以明顯發(fā)現(xiàn),在同等條件下,反射率越高,背向漏光越強(qiáng).當(dāng)OC的反射率為2.6%時(shí),背向漏光最小,最高時(shí)為 2.72 W; 隨著反射率的增加,分別為 5.2%,10.3% 及 11.6% 時(shí),背向漏光逐漸增強(qiáng).分析產(chǎn)生的原因后,我們認(rèn)為該背向漏光的差異主要來源于諧振腔內(nèi)激光功率的不同.在輸出功率相當(dāng)?shù)那闆r下,當(dāng)OC的反射率較大時(shí),諧振腔內(nèi)激光的功率對應(yīng)較大,在高反光柵反射率不變的條件下背向漏光則較大; 反之較小.

為了進(jìn)一步探究背向漏光的產(chǎn)生原因,我們測試了光譜帶寬為1 nm,反射率為10%附近的OC樣品在輸出功率為840 W時(shí)所產(chǎn)生的背向漏光光譜,結(jié)果如圖11所示.從圖中可以看到,背向漏光的光譜包括信號光部分與受激拉曼散射光部分,主要功率來源于信號光.其中,信號光部分的光譜除了主峰之外,存在一個(gè)相對平坦的光譜,我們認(rèn)為該部分平坦光譜的成分主要來源于腔內(nèi)激光超過HR帶寬的部分,而主峰主要來源于HR本身的透射率.因此,對于同樣反射率而不同帶寬的OC組合,背向漏光的差異主要來源于光譜展寬; 對于同樣帶寬而不同反射率的OC組合,背向漏光的差異則主要來源于HR本身的透射率.

同理,對于不同OC反射率組合,測試了對應(yīng)的輸出激光光譜特性,結(jié)果如圖12所示.與第一組的實(shí)驗(yàn)類似,隨著輸出功率的不斷增加,輸出激光的光譜逐步展寬,且當(dāng)輸出功率在700 W附近時(shí),可以觀察到在1135 nm附近受激拉曼散射峰的出現(xiàn),同時(shí)受激拉曼散射峰的強(qiáng)度隨著輸出功率的增加而提高.對比不同反射率的OC可以發(fā)現(xiàn),反射率較低的OC與HR組合,受激拉曼散射峰的強(qiáng)度稍低,即對比度稍高,但是并不明顯.最后在激光輸出功率為840 W下,測試了不同反射率OC的組合對應(yīng)的光譜特性圖,結(jié)果如圖13所示,OC的反射率對受激拉曼散射的影響不敏感,反射率較低的OC相對有優(yōu)勢.我們認(rèn)為這種實(shí)驗(yàn)結(jié)果也符合理論預(yù)期,與背向漏光的結(jié)論一樣,主要來源于諧振腔內(nèi)激光的功率,而受激拉曼散射的強(qiáng)度與諧振腔內(nèi)激光的強(qiáng)度密切相關(guān),因此而對于反射率較低的OC,其腔內(nèi)激光的功率相對低,同樣的輸出功率下,受激拉曼散射的強(qiáng)度也就相對低,對比度也就越高.但是對于反射率為2.6%的OC,我們發(fā)現(xiàn)其受激拉曼散射強(qiáng)度并非最低,具體原因有待進(jìn)一步分析確認(rèn),我們初步認(rèn)為存在影響受激拉曼散射產(chǎn)生的其他因素,例如光柵光譜形狀的差異以及其他未知因素等.

圖12 不同反射率的低反光柵輸出光譜特性 (a) 反射率為 2.6%; (b) 反射率為 5.2%; (c) 反射率為 10.3%; (d) 反射率為 11.6%Fig.12.Spectra of output laser with low reflection gratings of different reflectivity: (a) 2.6%; (b) 5.2%; (c) 10.3%; (d) 11.6%.

圖13 同等輸出功率水平下 (840 W),不同反射率的低反光柵受激拉曼散射效應(yīng)對比圖Fig.13.Stimulated Raman scattering of low reflection gratings with different reflectivity at the output power of 840 W.

為此,選取另外一支低反光纖光柵,其反射率為2.5%,光譜帶寬為1 nm,但是具有不同于上述實(shí)驗(yàn)OC的光譜,如圖14(a)所示.采用該OC與上述實(shí)驗(yàn)的HR進(jìn)行搭配,在輸出功率同樣為840 W時(shí),測試了輸出激光的光譜,結(jié)果如圖14(b)所示.結(jié)果顯示,輸出激光的受激拉曼散射強(qiáng)度明顯降低.我們認(rèn)為,該結(jié)果的差異并非由于反射率與帶寬的不同,而是來源于光柵光譜形狀的差異等其他未知因素,我們將會(huì)在后續(xù)的工作中深入研究.綜合以上測試結(jié)果可知不同OC反射率對于激光輸出特性的影響.

對于輸出激光的斜率效率,結(jié)果反映,反射率對斜率效率影響同樣不明顯,最終激光器輸出的功率差異不大.從背向漏光功率看,反射率較高的OC背向漏光更明顯.對于受激拉曼散射,反射率較低的OC使得受激拉曼散射強(qiáng)度更低,但是實(shí)驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)存在影響受激拉曼散射產(chǎn)生的其他因素,使得反射率最低的光柵組合與趨勢不符.從該組對比實(shí)驗(yàn)結(jié)果看,通過降低OC的反射率,可以有效降低背向漏光.但是過低的反射率會(huì)影響激光斜率效率,當(dāng)小于最優(yōu)反射率時(shí)效率會(huì)出現(xiàn)逐步衰減[14,24,25];此外,從光柵制備以及穩(wěn)定性的角度看,過低的反射率可能會(huì)對OC的長期穩(wěn)定性有所影響,例如在高溫環(huán)境中長期運(yùn)行,光柵的深度可能會(huì)存在逐步減弱的風(fēng)險(xiǎn)[16,26].因此,在實(shí)際使用中需根據(jù)光柵的使用環(huán)境以及光纖激光器的工作條件,采用適當(dāng)反射率的OC,以得到綜合性能最優(yōu)的激光輸出特性.

圖14 (a) 反射率為 2.5%,光譜帶寬為 1.0 nm 的 OC 光譜圖; (b)輸出功率為840 W時(shí)的輸出激光光譜圖Fig.14.(a) Reflection spectrum of the OC of 2.5% reflectivity and 1.0 nm bandwidth; (b) spectrum of the output laser at the output power of 840 W.

4 總結(jié)與展望

斜率效率、背向漏光以及受激拉曼散射是在高功率連續(xù)光纖激光器系統(tǒng)設(shè)計(jì)中較為關(guān)心的輸出特性參數(shù).光纖光柵對作為光纖激光器中的關(guān)鍵器件,為激光的振蕩提供了諧振腔,起到了核心的作用.光纖光柵對的參數(shù)設(shè)計(jì)與匹配,會(huì)直接影響到整個(gè)激光系統(tǒng)的性能.本文旨在探究光纖光柵對的參數(shù)匹配對激光輸出特性的影響,先是通過理論分析分別闡述了斜率效率、背向漏光以及受激拉曼散射的來源與相互關(guān)系; 然后通過實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì),采取了兩組不同參數(shù)光纖光柵對組合,從實(shí)驗(yàn)上分別探究了低反光柵光譜帶寬以及反射率對激光輸出特性的影響.

在高反光柵參數(shù)不變的條件下,輸出激光的斜率效率對低反光柵的光譜帶寬與反射率變化并不敏感,沒有表現(xiàn)出明顯的變化趨勢.僅考慮背向漏光的特性,光譜帶寬較窄、反射率較低的低反光柵可以有效降低背向漏光的強(qiáng)度,從而有效降低對抽運(yùn)激光的影響,有利于輸出功率的進(jìn)一步提高與系統(tǒng)的安全性.但是,在同等輸出功率下,光譜帶寬較窄的低反光柵會(huì)導(dǎo)致輸出激光的受激拉曼散射強(qiáng)度明顯提高,即對比度明顯降低; 而反射率較低的低反光柵雖然對受激拉曼散射強(qiáng)度的降低有好處,然而過低的反射率會(huì)影響激光斜率效率,當(dāng)小于最優(yōu)反射率時(shí)效率會(huì)出現(xiàn)逐步衰減,而且過低的反射率存在影響光柵長期穩(wěn)定性的不利風(fēng)險(xiǎn).在后續(xù)的工作中,我們將從理論模擬角度分析最優(yōu)OC反射率的數(shù)值,針對特定激光系統(tǒng)提供更有力的理論設(shè)計(jì)基礎(chǔ).綜合上述因素的影響,我們認(rèn)為在高功率光纖激光器設(shè)計(jì)時(shí),在背向漏光功率處于安全范圍內(nèi)時(shí),建議采用光譜帶寬適當(dāng)較寬的低反光柵,以及在保證光柵穩(wěn)定性和激光器斜率效率的基礎(chǔ)上選擇反射率相對低的低反光柵,這樣可以得到綜合性能相對好的激光輸出.

此外,在實(shí)驗(yàn)中發(fā)現(xiàn),光纖光柵光譜的形狀影響受激拉曼散射的因素之一.通過對比兩組實(shí)驗(yàn)結(jié)果發(fā)現(xiàn),光譜形狀相對平滑的第一組樣品,在同等激光輸出功率的情況下,受激拉曼散射強(qiáng)度明顯比較低.根據(jù)(1)式—(3)式,光譜形狀中若存在尖峰部分,那么振蕩激光的光譜更為集中,受激拉曼散射增益強(qiáng)的頻率成分較高,受激拉曼散射閾值也就相對低,總的強(qiáng)度較強(qiáng); 如果光譜較為平滑,分布如平頂型,那么激光的頻率成分相對平坦,受激拉曼散射增益峰值處的頻率成分相對較少,受激拉曼散射閾值也就相對高,總的強(qiáng)度較弱.為此本文進(jìn)行了初步的驗(yàn)證實(shí)驗(yàn),結(jié)果符合預(yù)期.我們相信,優(yōu)化光纖光柵對的光譜特性及其相互間的配合,具備有效降低受激拉曼散射強(qiáng)度的潛在應(yīng)用.我們將會(huì)在接下來的工作中對該問題進(jìn)行針對性研究.

高功率光纖激光器的激光輸出特性優(yōu)化,對進(jìn)一步提高光纖激光器的輸出功率以及實(shí)際應(yīng)用中的切割、加工質(zhì)量具有重要意義.本文的研究能為高功率光纖激光器的設(shè)計(jì)工作提供有效的理論支持與參考.