張志倫 張芳芳 林賢峰 王世杰 曹馳 邢潁濱 廖雷 李進(jìn)延

(華中科技大學(xué), 武漢光電國家研究中心, 武漢 430074)

模式不穩(wěn)定效應(yīng)和非線性效應(yīng)成為光纖激光器輸出功率和光束質(zhì)量進(jìn)一步提升的主要限制因素. 采用改進(jìn)的化學(xué)氣相沉積工藝結(jié)合溶液摻雜技術(shù)制備33/400 μm 部分摻雜摻鐿雙包層光纖, 鐿離子摻雜直徑比為70%, 折射率剖面近似階躍型. 利用主振蕩功率放大系統(tǒng)驗(yàn)證部分摻雜光纖光束質(zhì)量優(yōu)化作用, 種子光束質(zhì)量為1.53, 隨著泵浦功率增長, 輸出激光光束質(zhì)量逐漸優(yōu)化至1.43. 搭建915 nm 反向泵浦全光纖結(jié)構(gòu)激光振蕩器. 實(shí)驗(yàn)中, 在泵浦光功率約為4.99 kW 時(shí), 獲得3.14 kW 中心波長為1081 nm 的激光輸出, 3 dB 帶寬為3.2 nm,且未出現(xiàn)模式不穩(wěn)定和受激拉曼散射現(xiàn)象, 這是目前基于國產(chǎn)部分摻雜光纖實(shí)現(xiàn)的最高輸出功率. 以上結(jié)果表明, 部分摻雜光纖在實(shí)現(xiàn)高功率且高光束質(zhì)量光纖激光輸出中具有潛力.

1 引 言

摻鐿光纖激光器(ytterbium-doped fiber lasers,YDFLs)以其體積小、光束質(zhì)量好、散熱性能好和轉(zhuǎn)化效率高等優(yōu)點(diǎn)[1,2], 被廣泛應(yīng)用于工業(yè)加工、軍事和醫(yī)療等領(lǐng)域[3-5]. 隨著高性能雙包層增益光纖及光纖器件的發(fā)展, 高功率摻鐿光纖激光器輸出功率得到迅速提升[6-9]. 然而, 非線性效應(yīng)(nonlinear effects, NLEs), 如受激布里淵散射(stimulated Brillouin scattering, SBS)、受激拉曼散射(stimulated Raman scattering, SRS)等的產(chǎn)生, 限制了光纖激光器輸出功率進(jìn)一步提升[10]. 大模場(chǎng)面積摻鐿光纖(large mode area ytterbium-doped fiber,LMAYDF)能有效提高非線性效應(yīng)閾值, 然而, 增大纖芯直徑將支持更多高階模式(higher order mode, HOM), 這可能會(huì)導(dǎo)致光纖激光器光束質(zhì)量惡化和模式不穩(wěn)定(mode instability, MI)效應(yīng)的產(chǎn)生[11-14]. 減小纖芯內(nèi)增益離子摻雜直徑可有效地抑制LMAYDF 中HOM 成分, 從而提高光纖激光輸出功率, 同時(shí)保持良好的光束質(zhì)量.

部分摻雜光纖即通過對(duì)纖芯中增益離子進(jìn)行直徑裁剪, 使得基模(fundamental mode, FM)在模式競(jìng)爭(zhēng)中處于優(yōu)勢(shì)地位, 同時(shí)抑制HOM 增益,實(shí)現(xiàn)LMAYDF 對(duì)不同模式的增益控制, 進(jìn)而提高光纖激光器輸出功率. 多項(xiàng)理論研究已表明[15,16],部分摻雜光纖能有效提高光纖激光器輸出激光的HOM 閾值. 然而, 關(guān)于部分摻雜光纖實(shí)驗(yàn)部分報(bào)道較少, 這主要是由于其制備工藝相對(duì)困難. 2012 年,芬蘭nLIGHT 公司采用直接納米粒子沉積(direct nanoparticle deposition, DND)工藝制備出纖芯/內(nèi)包層尺寸分別為41/395 μm 部分摻雜光纖, 采用放大自發(fā)輻射光源驗(yàn)證光纖性能, 輸出激光光束質(zhì)量因子（M2）約為1.3[17]. 與主流稀土摻雜光纖制備工藝-改進(jìn)的化學(xué)氣相沉積(modified chemical vapor deposition, MCVD)工藝相比, DND 工藝所需設(shè)備昂貴、工藝復(fù)雜, 因此, 采用MCVD 工藝制備部分摻雜光纖成為亟待解決的問題. 2018 年,華中科技大學(xué)Liao 等[18]利用MCVD 工藝制備出纖芯35 μm、Yb3+摻雜直徑比為71.4%的部分摻雜光纖, 實(shí)驗(yàn)中測(cè)得M2隨功率提升從2.8 優(yōu)化至1.5. 在大功率部分摻雜光纖激光輸出方面, 日本藤倉公司于2016 年采用自研部分摻雜光纖獲得具有高SRS 抑制的2 kW 單模激光輸出[19]; 2018 年,該公司利用部分摻雜光纖將近衍射極限激光輸出功率提升至5 kW, 同時(shí)SRS 抑制比達(dá)到45 dB[20]; 最近, 該公司又將部分摻雜光纖激光輸出功率提升至8 kW, SRS 抑制比為22 dB[21], 但上述三次報(bào)道中均未具體介紹制備工藝. 顯然, 掌握部分摻雜光纖制備工藝, 實(shí)現(xiàn)國產(chǎn)化, 并應(yīng)用到大功率光纖激光器中, 將具有極高的工業(yè)和國防價(jià)值.

本文采用MCVD 工藝結(jié)合溶液摻雜技術(shù)(solution doping technique, SDT)制備出纖芯和包層直徑分別為33/400 μm 部分摻雜光纖, 增益離子在纖芯中占比約為70%, 纖芯數(shù)值孔徑約為(numerical aperture,NA) 0.06. 接著利用主振蕩功率放大(master oscillator power-amplifier, MOPA)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)驗(yàn)證部分摻雜光纖M2優(yōu)化作用. 最后搭建915 nm 反向泵浦全光纖激光振蕩器, 獲得了3.14 kW激光輸出, 且未出現(xiàn)SRS 和TMI 現(xiàn)象.

2 光纖制備和參數(shù)

采用MCVD 工藝結(jié)合SDT 制備部分摻雜預(yù)制棒, 主要步驟如下: 疏松(soot)層沉積、溶液摻雜、除羥基干燥、玻璃化和高溫縮棒. 沉積溫度會(huì)影響soot 層的孔徑大小和均勻性, 進(jìn)而影響后續(xù)溶液浸泡過程中孔徑對(duì)稀土離子的吸附能力, 最終影響摻雜濃度和折射率剖面.

部分摻雜光纖纖芯可根據(jù)是否含有Yb3+離子分為有源區(qū)和無源區(qū), 為了獲得近似階躍型折射率剖面, 需要保證纖芯有源區(qū)與無源區(qū)折射率匹配,因此溶液摻雜成為關(guān)鍵的一步[17]. 圖1(a)為部分摻雜光纖纖芯剖面設(shè)計(jì), 纖芯中有源區(qū)摻雜離子主要有Yb3+, Al3+和Ce3+, 這三種離子都會(huì)提高纖芯有源區(qū)NA, 而NA過高又很難保證良好的光束質(zhì)量和激光亮度, 因此需要摻入F—降低NA[22]. 纖芯無源區(qū)采用Al3+和F—相互配比, 用于匹配有源區(qū)折射率, 以保證最佳的階躍型剖面. SHR-1602 光纖分析儀測(cè)得部分摻雜光纖折射率剖面如圖1(b)所示, 可以看出, 纖芯的折射率剖面較為平坦, 且纖芯有源區(qū)與無源區(qū)折射率匹配度高, 經(jīng)過計(jì)算,總體纖芯的NA約為0.06.

圖1 部分摻雜光纖 (a) 纖芯離子分布設(shè)計(jì); (b) 折射率剖面Fig. 1. Confined-doped fiber: (a) Designed distribution of ions in core; (b) refractive index profile.

3 實(shí)驗(yàn)與結(jié)果

MOPA 系統(tǒng)用于驗(yàn)證部分摻雜光纖(confineddoped Yb-doped fiber, CDYDF)高輸出功率時(shí)的光束質(zhì)量優(yōu)化作用, 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖2 所示[23]. 種子光和泵浦光由(6 + 1) × 1 泵浦信號(hào)合束器(pump signal coupler, PSC)注入光纖, 該部分摻雜光纖在976 nm 處的吸收系數(shù)為0.77 dB/m, 使用長度為27 m, 保證了足夠的泵浦吸收, 彎曲直徑為11.0—23.5 cm, 包層光濾除器(cladding light stripper,CLS)將泄露到包層中的光濾除, 經(jīng)端帽(end cup,EC)輸出的光由準(zhǔn)直器模塊和縮束模塊注入到光束質(zhì)量分析儀(M2-200S)中, 測(cè)試其光束質(zhì)量因子.

圖2 高功率光束質(zhì)量MOPA 結(jié)構(gòu)測(cè)試系統(tǒng)Fig. 2. High-power beam quality testing system with MOPA.

測(cè)得部分摻雜光纖M2和輸出功率隨泵浦功率的變化如圖3 所示. 由圖3 可以看出, 部分摻雜光纖具有明顯的光束優(yōu)化作用. 具體地, 未注入放大級(jí)泵浦光時(shí), 測(cè)得種子光M2為1.53, 逐漸提高泵浦功率, 輸出激光功率呈線性增長, 而M2值逐漸下降,當(dāng)輸出功率達(dá)到1.2 kW 時(shí), 輸出激光M2為1.43.

圖3 部分摻雜光纖光束質(zhì)量和輸出功率Fig. 3. Beam quality factor and output power of confineddoped fiber.

3 kW 反向泵浦摻鐿全光纖激光振蕩器結(jié)構(gòu)如圖4 所示. 高反射光纖布拉格光柵(high reflectivity fiber Bragg grating, HR FBG, 中心波長為1080 nm,3 dB 帶寬約為3 nm, 反射率約為99.9%)、增益光纖和輸出耦合光纖布拉格光柵(output coupler fiber Bragg grating, OC FBG, 中心波長為1080 nm,3 dB 帶寬約為1 nm, 反射率約為10%)構(gòu)成激光諧振腔. 每7 個(gè)中心波長為915 nm 半導(dǎo)體激光器(laser diode, LD)經(jīng)過7 × 1 的泵浦合束器(pump coupler, PC)合束到(6 + 1) × 1 PSC 的泵浦臂中, 泵浦光將全部經(jīng)過OC FBG 注入到腔內(nèi). 增益光纖采用國產(chǎn)部分摻雜雙包層摻鐿光纖, 對(duì)45 m長部分摻雜光纖進(jìn)行如圖4 跑道式盤繞, 光纖兩端與光柵尾纖熔接的熔點(diǎn)放入在內(nèi)圈, 并加以充分水冷. 在HR FBG 的腔外端, 連接CLS1 和石英光束輸出頭(quartz beam header, QBH), 用于監(jiān)測(cè)回光功率. 由于受水冷板跑道總長度和光纖吸收系數(shù)的影響, 因此在OC FBG 的輸出端, 傳能光纖的內(nèi)包層中會(huì)積累大量的剩余泵浦光和少量的高階模式激光. 為了更加有效地濾除包層光, 采用兩段式包層光濾除手段, 大大提高輸出功率并降低實(shí)驗(yàn)風(fēng)險(xiǎn). 最后只留下存在于纖芯中的激光, 經(jīng)QBH 輸出并由萬瓦功率計(jì)(power meter, PM)監(jiān)測(cè)激光功率. 在CLS2 和PM 靶面位置分別放置了光電探頭1, 2 (photo detector 1, 2, PD 1, 2), 并將轉(zhuǎn)換的電信號(hào)輸入到示波器的輸入信道中.

圖4 反向泵浦全光纖激光振蕩器結(jié)構(gòu)Fig. 4. Scheme of backward pumped fiber laser oscillator.

圖5 (a) 不同泵浦功率下的輸出激光功率、效率曲線; (b) 回光功率Fig. 5. (a) Dependence of the output power and optical efficiency on the pump power; (b) back light power.

如圖5(a)為輸出激光功率和光光效率隨泵浦光功率的變化示意圖, 輸出激光功率基本處于線性增長, 且經(jīng)過擬合后得到的斜率效率為63.6%, 而由于所使用部分摻雜光纖長度較短, 導(dǎo)致泵浦光吸收不夠充分, 造成了激光效率較低; 圖5(b)所示為后向回光功率隨泵浦光功率的變化示意圖, 隨著泵浦光功率的提升, 回光功率也逐步趨于線性增長.

圖6 不同功率下輸出激光光譜特性Fig. 6. Output laser spectra at different output power.

測(cè)得的輸出激光光譜隨輸出功率變化如圖6所示. 從圖6 可以看出, 隨著輸出激光功率逐步增長,3 dB 線寬從112 W 時(shí)的0.5 nm 展寬到3140 W時(shí)的3.2 nm. 輸出功率達(dá)到3.14 kW 時(shí), 光譜上1064 nm 和1098 nm 附近出現(xiàn)兩個(gè)邊帶, 預(yù)示著四波混頻和自相位調(diào)制的存在, 且光譜中無拉曼光成分, 說明無SRS 效應(yīng).

圖7 輸出功率達(dá)到3140 W 時(shí), PD1 和PD2 分別接收CLS2 的泄露光和PM 靶面的散射光的 (a) 時(shí)域; (b) 頻域Fig. 7. When the output power reaches 3140 W, the leakage light of CLS2 and scattering light of PM target surface:(a) Time domain; (b) frequency domain.

PD1 和PD2 分別接收CLS2 的泄露光和PM靶面的散射光, 在全光纖振蕩器達(dá)到最高輸出功率3140 W 時(shí)的時(shí)頻域結(jié)果如圖7 所示. 圖7(a)中的時(shí)域圖表明在最高輸出功率時(shí), 兩處接收光的相對(duì)強(qiáng)度無明顯變化. 圖7(b)中的頻域圖顯示在最高功率輸出時(shí), 未出現(xiàn)高頻分量, 表明輸出激光功率達(dá)到3140 W 系統(tǒng)并未出現(xiàn)橫向模式不穩(wěn)定現(xiàn)象.

由于反向泵浦激光振蕩器系統(tǒng)中低反光柵承受功率受限, 在振蕩器輸出為3 kW 時(shí)已經(jīng)表現(xiàn)出高溫, 鑒于安全的原則, 本次實(shí)驗(yàn)沒有能夠測(cè)試該光纖振蕩器的光束質(zhì)量, 也沒有進(jìn)行長時(shí)間的高功率拷機(jī)實(shí)驗(yàn)以驗(yàn)證部分摻雜光纖在3 kW 振蕩器系統(tǒng)中的功率穩(wěn)定性. 但是可以預(yù)測(cè), 部分摻雜光纖在3 kW 時(shí)將會(huì)有更加顯著的光束質(zhì)量優(yōu)化作用.

4 結(jié) 論

部分摻雜光纖是實(shí)現(xiàn)光纖激光器高功率和高光束質(zhì)量輸出的有效途徑. 本文基于MCVD 工藝結(jié)合SDT 制備33/400 μm 部分摻雜摻鐿雙包層光纖, 鐿離子摻雜直徑比為70%. 利用MOPA 系統(tǒng)驗(yàn)證部分摻雜光纖光束質(zhì)量優(yōu)化作用, 種子光束質(zhì)量為1.53, 隨著泵浦功率增長, 輸出激光光束質(zhì)量逐漸優(yōu)化至1.43. 搭建915 nm 反向泵浦全光纖激光振蕩器, 在泵浦功率約為4.99 kW 時(shí), 獲得3.14 kW 中心波長為1081 nm 激光輸出, 3 dB 帶寬為3.2 nm, 實(shí)驗(yàn)中并未出現(xiàn)SRS 和TMI 效應(yīng),這是目前基于國產(chǎn)部分摻雜光纖實(shí)現(xiàn)的最高輸出功率. 進(jìn)一步提高泵浦功率, 優(yōu)化激光器系統(tǒng)將有望實(shí)現(xiàn)國產(chǎn)部分摻雜光纖更高功率的穩(wěn)定激光輸出.

感謝國防科技大學(xué)奚小明老師、王鵬博士、葉云博士、徐小勇老師、張坤老師等為本次實(shí)驗(yàn)提供的幫助.