劉茵紫 邢潁濱 廖雷 王一礴 彭景剛 李海清 戴能利 李進延

(華中科技大學(xué), 武漢光電國家研究中心, 武漢 430074)

采用改進的化學(xué)氣相沉積工藝結(jié)合溶液摻雜法制備了摻Tm3+石英光纖預(yù)制棒, 并拉制成纖芯/包層尺寸約為25/400 μm 的雙包層摻Tm3+光纖, 通過電子探針顯微分析測得其中Tm2O3 和Al2O3 的濃度分別為2.6 wt%和1.01 wt%, 在793 nm 處測得的包層吸收為3 d B/m. 基于上述大模場摻Tm3+光纖, 搭建了一個高功率全光纖主振蕩功率放大結(jié)構(gòu)的摻Tm3+光纖激光器, 窄線寬摻Tm3+種子源經(jīng)過一級放大后, 最高輸出功率達到530 W, 對應(yīng)的斜率效率為50%, 輸出激光的中心波長為1980.89 nm. 實驗中沒有觀察到明顯的放大自發(fā)輻射和非線性效應(yīng), 輸出功率僅受限于抽運功率. 該結(jié)果為目前國內(nèi)2 μm 波段全光纖結(jié)構(gòu)激光器實現(xiàn)的最高輸出功率, 驗證了國產(chǎn)摻Tm3+石英光纖在高功率系統(tǒng)中的可靠性.

1 引 言

與傳統(tǒng)的固體激光器相比, 光纖激光器有著許多優(yōu)勢, 比如更為緊湊輕便、良好的光束質(zhì)量、較大的表面積/體積比、可以實現(xiàn)有效的熱管理和進一步的功率放大. 近年來, 高功率光纖激光器在激光光源的生產(chǎn)模式和材料加工等領(lǐng)域掀起了新的變革[1?3], 其中摻鐿光纖激光器(ytterbium-doped fiber laser, YDFL)最大輸出功率已超過10 kW[4].具有1700—2100 nm 超寬可調(diào)諧范圍摻銩光纖激光器(thulium-doped fiber laser, TDFL)也引起了人們極大的興趣, TDFL 應(yīng)用十分廣泛, 比如激光雷達、自由空間通信、生物醫(yī)療以及作為摻鈥光纖激光器或光學(xué)參量振蕩器的優(yōu)秀抽運源等[5?8]. 基于成熟的制作工藝和成本控制, 絕大多數(shù)高功率TDFL 主要采用工作在793 nm 處的半導(dǎo)體激光器(laser diode, LD)進行抽運, 更重要的是793 nm抽運方式對應(yīng)的3H4,3H6→3F4,3F4能級躍遷過程中的交叉弛豫機制能夠使TDFL 克服41%的斯托克斯極限. 在應(yīng)用需求的推動下, TDFL 在國內(nèi)外都經(jīng)歷了前所未有的發(fā)展, 2010 年, Q-peak 公司的Ehrenreich 等[9]報道了一個主振蕩功率放大器(main-oscillator power-amplifier, MOPA), 該 系統(tǒng)采用793 nm 抽運方式, 采用12 m 纖芯/包層尺寸為20/400 μm 的大模場摻Tm3+光纖作為增益介質(zhì), 種子注入功率為50 W, 經(jīng)過兩級放大后被提升到1 kW, 斜率效率為53.2%, 工作波長為2050 nm, 這是目前國際上輸出功率最高的摻Tm3+光纖放大器. 2016 年, 德國Fraunhofer 應(yīng)用光學(xué)和精密工程研究所的Walbaum 等[10]設(shè)計了一個基于商用三包層摻Tm3+光纖的全光纖振蕩器,TDF 的纖芯/第一內(nèi)包層/第二內(nèi)包層尺寸為25/40/400 μm, 輸出功率為567 W, 斜率效率為49.4%,其工作在多模運轉(zhuǎn)模式下, 峰值波長處的3 dB 帶寬為180 pm, 這是目前報道的輸出功率最高的摻Tm3+光纖振蕩器. 2015 年, 本課題組[11]采用改進的 化 學(xué) 氣 相 沉 積(modified chemical vapor deposition, MCVD)工藝制備了一根雙包層摻Tm3+石英光纖, 其纖芯/包層尺寸為25/250 μm, 數(shù)值孔徑(numerical aperture, NA)為0.11, Tm2O3的摻雜濃度約為44000 ppm (1 ppm = 1 mg/L), 在793 nm 處的包層吸收系數(shù)為3 d B/m. 利用4 m該自制摻Tm3+光纖, 搭建了一個工作波長為1915 nm 的全光纖結(jié)構(gòu)的振蕩器, 當抽運功率為252 W 時, 得到最大輸出激光功率為121 W, 斜率效率為51%. 2017 年, 復(fù)旦大學(xué)的Yao 等[12]報道了全光纖窄線寬摻銩MOPA 系統(tǒng), 采用纖芯/包層尺寸為25/400 μm 的TDF 作為放大級增益介質(zhì), 將3.5 W 的種子功率提高到400 W, 斜率效率為53%, 中心波長為1941 nm, 輸出光譜的3 d B帶寬為67 pm. 2018 年, 該課題組利用一個1 × 3合束器和一個3 × 1 合束器, 將3 個最高輸出功率為323, 305 和229 W 的摻銩MOPA 激光系統(tǒng)進行集成(非相干)合束輸出, 在總抽運功率為1505 W 時, 獲得了790 W 的激光輸出, 合束系統(tǒng)的斜率效率為52.2%[13].

另一方面, 目前摻Tm3+光纖預(yù)制棒的制備方法主要有MCVD 法[14]、管-棒法[15]和粉末法[16].盡管管-棒法和粉末法也能制備出具有高摻雜濃度和折射率分布均勻的摻Tm3+光纖, 但目前基于這些方法制備的摻Tm3+光纖搭建的光纖激光器系統(tǒng)最終獲得的2 μm 激光功率仍處于瓦級水平[15?17].這主要是因為通過這些方法制備出的摻Tm3+光纖的光纖尺寸或NA 不能很好地與無源器件的尾纖匹配, 不利于全光纖化和功率放大. 因此, 目前實現(xiàn)數(shù)百瓦級甚至更高功率全光纖TDFL 的最佳途徑還是采用MCVD 方法制備的大模場摻Tm3+光纖. 比較國外的研究, 國內(nèi)高功率TDFL 的發(fā)展相對較慢, 且在摻Tm3+光纖, 尤其是用于高功率系統(tǒng)的大模場摻Tm3+光纖的選用上長期依賴國外公司. 國產(chǎn)摻Tm3+光纖的制備主要有以下幾個瓶頸:1) Tm3+摻雜濃度不高, 交叉馳豫效應(yīng)得不到增強,致使光纖效率較低[18]; 2)摻雜均勻性較差, 主要體現(xiàn)為光纖折射率剖面在橫向和縱向上存在較大波動, 使得摻Tm3+光纖的NA 存在較大偏差, 不能很好地與無源器件匹配, 實現(xiàn)全光纖化結(jié)構(gòu)[19];3)可重復(fù)性較差, 不同批次的摻Tm3+光纖可能表現(xiàn)出較大的激光性能差異, 這主要是由環(huán)境、儀器不穩(wěn)定性及參數(shù)調(diào)控等因素導(dǎo)致的. 摻Tm3+光纖作為TDFL 搭建過程中不可缺少的核心材料, 實現(xiàn)國產(chǎn)化, 生產(chǎn)出能夠代替國外產(chǎn)品的性能優(yōu)良的大模場摻Tm3+光纖是十分有必要的.

本文采用MCVD 方法結(jié)合溶液摻雜技術(shù), 并通過對制備過程中的關(guān)鍵參數(shù)進行優(yōu)化, 制備了一根高摻雜、高吸收系數(shù)的雙包層大模場摻Tm3+石英光纖. 該光纖的纖芯/包層尺寸約為25/400 μm,對應(yīng)的NA 為0.1, 纖芯中Tm2O3和Al2O3的摻雜濃度分別為2.6 wt%和1.01 wt%, 在793 nm 處測得的包層吸收為3 dB/m. 基于該大模場摻Tm3+光纖, 搭建了一個一級放大的MOPA 系統(tǒng), 實現(xiàn)了530 W 的激光輸出, 斜率效率為50%, 工作波長為1980.89 nm, 在輸出功率為100 W 時測得的M2小于1.3. 在實驗過程中沒有觀察到功率下降的現(xiàn)象, 從光譜上沒有觀察到放大自發(fā)輻射和寄生振蕩現(xiàn)象. 據(jù)我們所知, 這是目前國內(nèi)報道的TDFL 實現(xiàn)的最高激光輸出, 同時實現(xiàn)了國產(chǎn)大模場摻Tm3+石英光纖在制備技術(shù)上的突破.

2 實驗裝置

實驗中使用的摻Tm3+石英光纖預(yù)制棒采用MCVD 工藝結(jié)合溶液摻雜法制備而成, 該工藝的基本流程可以總結(jié)為以下5 個過程: 1)阻擋層和疏松層沉積; 2)溶液浸泡和稀土離子摻雜; 3)熱干燥; 4)通氣脫水; 5)燒結(jié)成棒. 關(guān)于光纖預(yù)制棒的詳細制備過程, 許多文獻都有介紹和描述[20,21], 在此不作贅述. 值得指出的是, 由于會成為光纖的纖芯部分, 疏松層的沉積溫度非常關(guān)鍵, 沉積的孔隙大小及其均勻度將直接影響Tm3+的摻雜濃度和均勻性, 也間接決定著摻Tm3+光纖的激光性能, 溫度過高或過低都會導(dǎo)致疏松層質(zhì)量下降. 通過控制沉積趟次, 可制備出不同摻雜濃度的摻Tm3+光纖.為了實現(xiàn)高的Tm3+摻雜濃度, 增強交叉馳豫效應(yīng),并避免由Tm3+團簇引起的光子猝滅, 在進行溶液摻雜時, 有必要加入一定量的Al3+作為分散劑, 以提高Tm3+離子的溶解度和分布均勻性[22,23]. 因此,合適的TmCl3和AlCl3溶液配比及浸泡時間也能在保證摻Tm3+光纖NA 的前提下實現(xiàn)高摻雜濃度. 另外, 進料速度、預(yù)燒結(jié)及燒結(jié)溫度等參數(shù)也會對摻Tm3+光纖的性能造成較大影響. 本文報道的Tm3+光纖的相關(guān)制備參數(shù)如表1 所列.

表1 25/400 雙包層摻Tm3+石英光纖的制備參數(shù)(1 sccm = 1 mL/min)Table 1. Fabrication parameters of the 25/400 double clad Tm3+-doped silica fiber.

預(yù)制棒制備完成后, 為了提高抽運光吸收率,將其打磨加工至橫截面呈八邊形, 在對其表面進行充分清潔后, 置于拉絲塔上進行拉絲和涂覆, 拉絲溫度設(shè)置在2000 ℃以上. 拉制出的雙包層摻Tm3+石英光纖橫截面如圖1 內(nèi)嵌小圖所示, 為八邊形, 實際測得的纖芯直徑為24.75 μm, 內(nèi)包層邊-邊距離為402.66 μm. 采用光纖分析儀(IFA-100)測得的25/400 摻Tm3+光纖的折射率剖面圖如圖1 所示, 折射率剖面中心的凹陷主要是由高溫下?lián)诫s物揮發(fā)造成的, 測得纖芯折射率波動小于5.4 × 10–4, 顯示出比較優(yōu)良的均勻性[16,24]. 通過對縮棒時的流量、溫度以及管內(nèi)壓力等參數(shù)進行綜合優(yōu)化, 可以進一步改善這種折射率剖面中心凹陷現(xiàn)象.

圖1 25/400 摻Tm3+雙包層石英光纖的折射率剖面圖(內(nèi)嵌小圖: 橫截面示意圖)Fig. 1. Refractive index profile of the 25/400 double clad Tm3+-doped silica fiber. Inset: image of the TDF cross section.

采用電子探針微區(qū)分析儀(EPMA-8050G,SHIMADZU Co., Ltd.)對摻Tm3+光纖進行線掃描分析得出摻雜元素的分布特性, 如圖2 所示,掃描精度為0.2 μm. 從圖2 可以看出, Tm3+和Al3+被限制在直徑為25 μm 的纖芯范圍內(nèi). 對光纖樣品的定量分析測得纖芯中Tm2O3和Al2O3的濃度分別為2.6 wt%和1.01 wt%. 另外, 采用截斷法測得該摻Tm3+石英光纖的包層吸收在793 nm處為3 dB/m, 用光纖損耗分析儀(P104, Photon Kinetics Inc.)測得在885 nm 處的包層背景損耗約為43 dB/km.

圖2 25/400 摻Tm3+光纖中Al 和Tm 分布情況Fig. 2. Distribution of Al and Tm in the 25/400 TDF.

圖3(a)為全光纖結(jié)構(gòu)MOPA 系統(tǒng)的具體實驗裝置, 包括振蕩器和放大級兩部分. 振蕩器由一對光纖布拉格光柵(fiber Bragg grating, FBG)和8 m 上述自制大模場摻Tm3+光纖組成, 其中高反射光柵(FBG 1)和部分反射光柵(FBG 2)的中心波長為1980 nm, 且在1980 nm 處的反射率分別為99.6%和10%, 3 dB 帶寬分別為1.92 nm 和1 nm. 采用3 個尾纖耦合輸出, 工作波長為793 nm的多模LD 作為抽運源, 最高總輸出功率為200 W.抽運光經(jīng)由一個(6 + 1) × 1 合束器(combiner1)耦合進摻Tm3+光纖內(nèi)包層中, 合束器抽運尾纖規(guī)格與LD 的尾纖相同, 纖芯/包層尺寸為200/220 μm, NA 為0.22. 為了得到光束質(zhì)量良好的種子源, 摻Tm3+光纖以6 cm 半徑盤繞在一塊刻槽鋁制水冷板上, 水冷溫度控制在17 ℃, 并且對振蕩器和放大級之間的無源光纖的涂覆層進行了階梯式剝除處理, 將剝除區(qū)(約10 cm)完全浸沒在高折射率膠中濾除剩余抽運光和包層光. 放大級采用雙向抽運方案, 每個方向熔接5 個與振蕩器中規(guī)格一致的LD, 每個LD 可以提供約110 W 的抽運功率, 并通過正反向兩個(6 + 1) × 1 合束器耦合到有源光纖內(nèi)包層中, 正向合束器(combiner 2)的耦合效率為93%, 其中一個空懸抽運臂(port 1)用來監(jiān)測回光功率, 反向合束器(combiner 3)的耦合效率為94%. 為保證抽運光被充分吸收, 提供足夠增益, 放大級中同樣采用8 m 上述25/400 雙包層摻Tm3+光纖作為增益介質(zhì), 兩個合束器的合束端尾纖的尺寸及NA 皆與有源光纖匹配. 在系統(tǒng)輸出端前熔接了一個包層光剝除器(CPS 2)以濾除包層光, 改善輸出激光的光束質(zhì)量, 其尾纖的纖芯/包層尺寸為25/400 μm, NA 為0.1. 在輸出端熔接了一段長度約為3 mm、切口為8°角的無芯光纖, 以防止產(chǎn)生菲涅耳反射. 對于放大光纖的散熱,設(shè)計了一塊帶有下沉的鋁制刻槽水冷板, 結(jié)構(gòu)如圖3(b)所示, 放置摻Tm3+光纖的水冷槽為黑色線條所示, 設(shè)計為螺旋盤繞的跑道, 最小盤繞半徑為6 cm, 放大級中的有源光纖由端口2 盤入, 以減小光纖中的高階模得到的增益, 光纖端口2 處設(shè)計了一段深于其他彎道的直槽, 避免光纖交疊產(chǎn)生熱積累, 合束器與摻Tm3+光纖的熔點置于最內(nèi)圈跑道直道上. 水冷管道如紅色線條所示, 呈回環(huán)狀鋪設(shè)在光纖水冷槽正下方并覆蓋整個光纖盤繞區(qū)域, 能夠有效地減少熱積累, 入水口和出水口的位置如圖中標注所示. 整塊水冷板挖有約1 cm 深的下沉,摻Tm3+光纖完全浸沒在水中, 水冷溫度設(shè)置為10 ℃.

圖3 (a)摻Tm3+全光纖MOPA 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖; (b) 放大級中水冷板設(shè)計示意圖Fig. 3. (a) Experimental setup of the all-fiber Tm-doped MOPA system; (b) the design diagram of water-cooling plate in amplification stage.

3 實驗結(jié)果

經(jīng)過CPS 1 后測得的種子源輸出激光功率隨抽運光功率的變化如圖4 所示, 振蕩器的閾值功率為19 W, 當抽運光功率達到閾值功率后, 隨著抽運光功率的增加, 種子源輸出激光功率呈線性增加, 當 抽 運 功 率 為202 W 時, 最大輸出功率為91 W, 對應(yīng)的斜率效率為49%, 光-光效率為45%.種子輸出功率提升過程中對應(yīng)的后向回光通過合束器1 的信號臂檢測, 且一并記錄在圖4 中, 種子源輸出功率達到最大時, 對應(yīng)的回光為1.6 W. 光譜測量和記錄采用日本橫河公司的光譜分析儀AQ6375B, 掃描精度為0.05 nm. 在高功率系統(tǒng)中,主要測量功率計靶面散射光光譜, 圖5 是種子源輸出 功 率 為91W時對應(yīng)的光譜,中心波長為1980.89 nm, 輸出激光信噪比為28 d B, 3 d B 帶寬測得為75 pm, 這種窄線寬的激光輸出可以歸因于振蕩腔內(nèi)的模式競爭[12,25].

圖4 種子源輸出功率及后向回光隨抽運功率的變化Fig. 4. Output power of oscillator and backward power versus the incident pump power.

圖5 種子源輸出功率為91 W 時對應(yīng)的光譜Fig. 5. Spectrum of the oscillator at output power of 91 W.

圖6 放大級輸出功率及后向回光隨抽運功率的變化Fig. 6. Output power and backward power of amplifier stage versus pump power.

種子源注入放大級的初始功率設(shè)置為80 W,放大級抽運源未啟動時, 種子激光經(jīng)過整個放大級后衰減至57 W, 對其進行放大, 圖6 所示是摻Tm3+光纖放大器輸出功率及port 1 處測得的回光功率隨抽運功率的變化. 輸出激光功率呈線性增加, 整個過程沒有觀察到功率下降現(xiàn)象, 抽運功率為979 W 時, 摻Tm3+光纖放大器輸出功率達到530 W, 對應(yīng)的斜率效率為50%, port 1 處監(jiān)測到的最大回光功率小于1 W. 在輸出功率為500 W時測得的光譜如圖7 所示, 中心波長與種子源一致, 輸出激光信噪比為27 dB. 輸出激光的3 dB 帶寬有些許展寬, 為0.11 nm, 這種展寬一方面被認為與系統(tǒng)中的熱積累有關(guān), 溫度升高導(dǎo)致光柵透射光譜展寬變形; 另一方面, 光纖的非線性效應(yīng)(如四波混頻、自相位調(diào)制)隨著功率的不斷提升而增強, 致使激光線寬展寬[26,27]. 掃描了1950—2000 nm范圍內(nèi)的激光光譜, 沒有觀察到明顯的自發(fā)輻射和受激布里淵散射效應(yīng), 如圖7 內(nèi)嵌圖所示, 說明輸出激光功率僅受限于抽運功率. 由于缺少衰減片,測量了摻Tm3+光纖放大器輸出功率為100 W 時的光束質(zhì)量因子(M2), 如圖8 所示, 測得的M2小于1.3, 說明該摻Tm3+光纖MOPA 系統(tǒng)具有較高的亮度. 由于放大級增益光纖采用螺旋跑道式盤繞方法, 且為了更好地進行熱管理, 相鄰跑道之間的間隔設(shè)置為1 cm, 導(dǎo)致盤繞半徑逐漸增大, 使得在外圈部分, 對高階模的抑制作用逐漸減弱. 在充分散熱的前提下, 通過進一步優(yōu)化光纖盤繞半徑, 能夠進一步改善系統(tǒng)的輸出光束質(zhì)量.

圖7 摻Tm3+光纖放大器輸出功率為500 W 時對應(yīng)的光譜Fig. 7. Spectrum of the Tm3+-doped fiber amplifier at output power of 500 W.

圖8 摻Tm3+光纖放大器輸出功率為100 W 時測得的M 2Fig. 8. Beam quality factor of the Tm-doped fiber amplifier at 100 W.

本實驗采用熱成像儀(MAG32 384 × 288,Magnity Electronics Co., Ltd.)觀察記錄摻Tm3+光纖的溫度, 在輸出功率為530 W 時, 其最高溫度超過60 ℃, 若想實現(xiàn)激光功率的進一步提升, 對摻Tm3+光纖的熱管理至關(guān)重要. 采用多級放大是緩解有源光纖及無源器件高溫壓力的有效途徑, 另外, 近年來研究人員提出的新型高效散熱光纖, 如金屬包層光纖[28]、石墨烯光纖[29]等也為有源光纖的熱管理提供了新思路. 但是這無疑大大增加了光纖制備的成本, 因此, 提升摻Tm3+光纖激光器輸出功率的核心解決方法還是要制備出高濃度、高效率的摻Tm3+光纖, 減小量子虧損, 提高抽運光利用率. 2019 年南安普頓大學(xué)的Ramírez-Martínez等[30]報道的采用MCVD 方法結(jié)合氣相摻雜技術(shù)制備出的Tm3+光纖, 其激光效率可達到72.4%.對該項技術(shù)的探索和分析正在進行當中, 有望制備出更高效的國產(chǎn)大模場摻Tm3+光纖, 推進國內(nèi)高功率摻Tm3+光纖激光器研究領(lǐng)域的發(fā)展.

4 結(jié) 論

報道了一個全光纖結(jié)構(gòu)高功率摻銩MOPA 系統(tǒng), 其中摻Tm3+光纖通過MCVD 工藝結(jié)合溶液摻雜法制備而成, 纖芯/包層尺寸約為25/400 μm,NA 為0.1, 測得纖芯摻雜的Tm2O3和Al2O3濃度分別為2.6 wt%和1.01 wt%, 在793 nm 處的包層吸收為3 d B/m. 采用8 m 自制大模場摻Tm3+光纖和一對FBG, 搭建了一個直腔結(jié)構(gòu)窄線寬振蕩器, 振蕩器的中心波長為1980.89 nm, 3 dB 光譜帶寬為75 pm. 放大級采用雙端抽運結(jié)構(gòu), 增益介質(zhì)同樣為8 m 自制大模場摻Tm3+光纖, 通過一級放大將57 W 的種子激光提升至530 W, 對應(yīng)的放大級斜率效率為50%. 輸出激光的3 dB 光譜帶寬為展寬至0.11 nm. 實驗過程中沒有觀察到明顯的放大自發(fā)輻射和非線性效應(yīng), 輸出功率僅受限于抽運功率. 系統(tǒng)在輸出功率為100 W 時測得的M2小于1.3. 據(jù)我們所知, 該結(jié)果是目前國內(nèi)報道的TDFL 達到的最高輸出功率.