高俊峰,閆明鑒,梁慧生,詹 涌,韓志剛,朱日宏,劉 明

(南京理工大學(xué)電子信息與光電技術(shù)學(xué)院,江蘇 南京 210094)

1 引 言

高功率光纖激光器在工業(yè)、國防和醫(yī)學(xué)等領(lǐng)域有重要應(yīng)用[1],隨著激光功率的增加,過沖效應(yīng)的影響不容忽視。過沖效應(yīng)呈現(xiàn)為一個峰值功率遠高于穩(wěn)態(tài)功率的毫秒量級的激光脈沖,過沖峰的頻率在幾十到幾百赫,經(jīng)過衰減振蕩后趨于穩(wěn)定。過沖效應(yīng)造成光纖中產(chǎn)生超高的激光功率密度和大量沉積的熱負荷[2],引起光纖激光器的非線性效應(yīng)閾值降低、光束質(zhì)量惡化、模式不穩(wěn)定以及熱損傷等現(xiàn)象,使激光器輸出呈現(xiàn)復(fù)雜的動態(tài)行為,甚至導(dǎo)致激光器永久性損傷[3]。

人們對光纖激光器的瞬態(tài)響應(yīng)特性、自脈沖現(xiàn)象、強度噪聲抑制等方面進行了大量的理論與實驗研究,Sanchez等人[4]從激光光子和反轉(zhuǎn)粒子的交互作用對激光過沖效應(yīng)進行理論解釋；方妍等人[5]對激光過沖效應(yīng)從部分未抽運或弱抽運的光纖對信號光的可飽和吸收作用進行解釋；孟現(xiàn)柱等人[6]獲得摻雜三能級光纖激光器速率方程組的解析解；Ammar Hideur等人[7-8]對于側(cè)向抽運高功率摻鐿雙包層光纖激光器的動態(tài)行為和自脈沖激發(fā)的布里淵散射和拉曼散射能夠產(chǎn)生不規(guī)則的脈沖進行了研究；梁旭等人[9]通過光電反饋法設(shè)計相位超前和低噪聲寬帶寬增益放大的噪聲抑制電路,將強度噪聲抑制在39 dB以下；Kim Dohyun等人[10]通過組合腔內(nèi)外光學(xué)元件法,將鎖模光纖激光器的相對強度噪聲抑制在-140 dB/Hz以下； Amili Abdelkrim等人[11]在激光腔內(nèi)插入可飽和吸收體作為緩沖池,利用光子吸收進行噪聲抑制。

迄今,對高功率光纖激光器過沖效應(yīng)的行為機制還沒有達成共識,對高功率光纖激光器的過沖效應(yīng)抑制技術(shù)研究也比較少見,但研究發(fā)現(xiàn)光學(xué)器件的機械振動,增益介質(zhì)的熱不穩(wěn)定性,泵浦光功率擾動,光纖激光振蕩器的內(nèi)損耗起伏等都會引起過沖效應(yīng)。通過優(yōu)化溫度、增益光纖長度、光纖光柵反射率、光纖摻雜離子濃度、泵浦方式等參數(shù)能夠抑制光纖激光器的過沖效應(yīng)[12],但優(yōu)化這些參數(shù)通常會引起激光輸出功率、光束質(zhì)量或光譜特性發(fā)生變化。本文提出一種基于泵浦調(diào)制的高功率光纖激光器過沖效應(yīng)抑制方法,通過泵浦調(diào)制電路直接優(yōu)化泵浦抽運速率,最終抑制高功率光纖激光器的過沖效應(yīng),該方法不改變激光的光束質(zhì)量或光譜特性,但會導(dǎo)致激光輸出經(jīng)過毫秒量級的緩升時間后達到額定功率輸出,但這并不會影響連續(xù)型高功率光纖激光器的工作和應(yīng)用。

2 理論研究

高功率光纖激光器的過沖效應(yīng)是在超過閾值的階躍泵浦光(P(t)=P0≥Pth)作用下,在上能級粒子經(jīng)歷一定的延遲時間后第一次達到相應(yīng)的平衡值時,其相應(yīng)的靜態(tài)信號光子密度也應(yīng)達到平衡值,但在實際的瞬態(tài)過程中,此時的信號光子密度仍然遠小于平衡值。因受激輻射過程很弱且泵浦抽運速率一定,上能級粒子數(shù)濃度得以繼續(xù)增長,但在這個過程中,自發(fā)輻射的增強也使受激輻射不斷增強,直到信號光子密度第一次達到平衡值時,在信號光子的作用下前期過量積累的“反轉(zhuǎn)粒子”終于達到爆發(fā)點,使其同時發(fā)生受激輻射而爆發(fā)出一束遠超平衡值的激光過沖。降低泵浦抽運速率或增大自發(fā)輻射率可以在穩(wěn)態(tài)之前遏止“反轉(zhuǎn)粒子”過量積累,實現(xiàn)對激光過沖效應(yīng)的抑制,但自發(fā)輻射率與溫度、光纖摻雜離子濃度、增益光纖長度、光纖光柵反射率等參數(shù)有關(guān),改變這些參數(shù)通常會引起激光輸出功率、光束質(zhì)量或光譜特性的變化,優(yōu)化泵浦抽運速率不會引光束質(zhì)量或光譜特性變化。

激光過沖過程及其機制可以由速率方程建立其解析理論,根據(jù)激光理論,摻鐿雙包層光纖激光器可視為二能級系統(tǒng)[13],其速率方程寫為關(guān)于上能級粒子數(shù)密度N(t)和光子數(shù)密度S(t)的微分方程為:

dN(t)/dt=Wp·[Nt-N(t)]-N(t)/τp-σv·N(t)·S(t)

(1)

dS(t)/dt=σv·N(t)·S(t)-S(t)/τ3

(2)

其中,Wp為泵浦抽運幾率；Nt為粒子總濃度；τp為粒子在上能級平均壽命；τ3為信號光子平均壽命；σ為光纖受激躍遷截面；v為摻雜光纖中的光速。

采用線性小信號近似分析法對上式求解,可得描述受激光子數(shù)密度的微分方程:

(3)

其中,α=(σvN0)/Wp+1/τp；β=(σvN0)/τ3；N0為穩(wěn)態(tài)時上能級粒子濃度。

在泵浦光階躍輸入條件下,對于泵浦功率恒定的光纖激光振蕩器,受激輻射光子數(shù)密度為:

S(t)=A[1-e-γt·sin(ωt+φ)]

(4)

其中,γ=α/2為阻尼振蕩系數(shù)；ω2=β-α2/4為振蕩頻率；A和φ由初值決定；阻尼振蕩系數(shù)和振蕩頻率與泵浦抽運速率、光纖摻雜離子濃度、腔內(nèi)光子壽命等都有關(guān),但隨著泵浦抽運速率的降低,系統(tǒng)的阻尼振蕩系數(shù)增大。

進一步分析高功率光纖激光器過沖效應(yīng),模擬不同阻尼振蕩系數(shù)的激光器輸出功率與時間的關(guān)系,結(jié)果如圖1所示,此處對輸出強度進行了歸一化處理,光纖激光器的受激輻射光子數(shù)密度做簡諧衰減振蕩運動,阻尼振蕩系數(shù)越大,振蕩衰減越快,振幅隨時間增大而減小,最終趨于平衡位置。

圖1 不同阻尼下的激光器輸出功率隨時間的變化Fig.1 Variation of laser output power with time under different damping

綜上所述,增光纖激光器系統(tǒng)的阻尼振蕩系數(shù),即通過降低泵浦抽運速率能夠遏止穩(wěn)態(tài)工作之前上能級 “反轉(zhuǎn)粒子”過量積累,可以降低激光過沖的峰峰值,能夠有效地抑制高功率光纖激光器過沖效應(yīng)。

3 實驗與分析

3.1 泵浦調(diào)制方案設(shè)計

根據(jù)高功率光纖激光器對泵浦抽運速率的需求和大功率光纖耦合半導(dǎo)體泵浦源的直接調(diào)制特性[14],設(shè)計如圖2 所示泵浦調(diào)制電路,其主要由MOS管、運算放大器、三極管、滯后RC、高精度采樣電阻等部分構(gòu)成線性恒流閉環(huán)負反饋系統(tǒng)[15]。

圖2 泵浦調(diào)制電路拓撲圖Fig.2 Topology of pump modulation circuit

泵浦調(diào)制電路工作過程為:主回路電源接通后,運算放大器(U1,LM258)的同相端輸入基準(zhǔn)電壓信號、反向端輸入高精度采樣電阻(RT1)的電壓采樣信號,但由于MOS管(MOS1,IRPF4468PbF)存在輸入電容,這要從電路中汲取較大的電流以在一定時間內(nèi)完成導(dǎo)通,所以運算放大器輸出的電壓信號需要由功放三極管(QZ1,9013)、電阻(R8、R9)組成的射極跟隨器來增強帶負載能力,射極跟隨器輸出電流經(jīng)時間滯后網(wǎng)絡(luò)[11](R10、C3)驅(qū)動MOS管,隨著電容(C3)充電,MOS管柵極電壓逐漸升高,當(dāng)柵極電壓達導(dǎo)通閾值后,MOS管逐漸導(dǎo)通,驅(qū)動電流從0緩慢上升到最大值,當(dāng)電容(C3)充電飽和時,MOS管工作在放大區(qū),回路電流趨于穩(wěn)定,此時輸出電流為:

I=(VD-V1·K2+Vref·A·K1·K2)/[(1+A·K1·K2)·RT+RL]

(5)

其中,A為差分放大器放大倍數(shù)；K1為功放三極管的放大倍數(shù)；K2為MOS管工作在放大區(qū)時的電流放大倍數(shù)；VD為回路直流電源電壓；V1為三極管的前置電壓；Vref為基準(zhǔn)電壓；RL與RT分別為泵浦等效電阻值以及采樣電阻值。

通過改變時間滯后網(wǎng)絡(luò)中電阻(R10)和電容(C3)的值可以調(diào)節(jié)主回路電流的緩升時間,但由于MOS管的自身存在導(dǎo)通、開啟延遲[16]和電路中散布電容的影響,電流實際緩升時間要略長于4RC[17],根據(jù)上述泵浦調(diào)制原理搭建泵浦調(diào)制電路,并對其調(diào)制性能進行測試,測試結(jié)果如圖3 所示,這里電流強度歸一化處理,泵浦驅(qū)動電流從0緩升到16 A,達到0.99Imax的時間0～3 ms可調(diào),本文搭建的泵浦調(diào)制電路滿足光纖激光器的需求。

圖3 泵浦驅(qū)動電流緩升時間測試圖Fig.3 Test chart of slow rise time of pump drive current

3.2 激光過沖抑制實驗與分析

為了測試光纖激光器的過沖效應(yīng)并驗證理論的準(zhǔn)確性,搭建一套750 W的光纖激光振蕩器測試系統(tǒng),如圖4 所示,采用雙向泵浦方式對振蕩器進行泵浦,半導(dǎo)體激光器(LD)(中心波長為976 nm,額定功率130 W,輸出端光纖135/155 μm)通過正向6×1光纖合束器(PC)(輸入端光纖135/155 μm,NA 0.22,輸出端光纖20/400 μm,NA 0.065/0.46)和反向(2+1)×1光纖合束器(輸入光纖135/155 μm,輸出端光纖14/250 μm)耦合到振蕩器中。光纖激光振蕩器由高反光纖光柵(中心波長為1080 nm,帶寬(-3 dB)為3.2700 nm,反射率大于99.6 %)、低反光纖光柵(中心波長為1080 nm,中心帶寬(-3 dB)為0.9027 nm,反射率為9.3 %)和長度為30 m的增益光纖(LMA-YDF-14/250-HP-M,NA 0.065/0.46)組成。低反光纖光柵后連接包層光剝離器(CPS)去除不需要的包層光,用石英端帽(QBH)輸出信號光。使用功率計(Spiricon,1500 W)測量輸出功率,來自功率計的散射光由光電二極管(PD)(TTI,TIA525I-FC)收集。

圖4 光纖激光振蕩器系統(tǒng)示意圖Fig.4 Schematic diagram of fiber laser oscillator system

首先,采用程控電源(IT6523D 3 kW/220 V/60 A)為光纖激光器系統(tǒng)供電,此時光纖激光振蕩器中的泵浦光可視為階躍輸入,測試結(jié)果如圖5所示,這里激光、電流強度歸一化處理,當(dāng)設(shè)置程控電源輸出電流為16 A時,光纖激光振蕩器穩(wěn)態(tài)輸出功率750 W,光光轉(zhuǎn)換效率能夠達到70.8 %,過沖峰值功率高達1450 W,接近兩倍穩(wěn)態(tài)功率。結(jié)果表明,測試結(jié)果與仿真結(jié)果吻合較好,在階躍泵浦光輸入情況下,泵浦抽運速率較快導(dǎo)致“反轉(zhuǎn)粒子”過量積累,引起光纖激光振蕩器產(chǎn)生遠高于激光器額定穩(wěn)態(tài)功率的激光過沖。

圖5 750 W光纖激光器過沖測試圖Fig.5 Overshoot test chart of 750 W fiber laser

降低泵浦抽運速率可以有效地抑制光纖激光器的過沖效應(yīng),為了驗證這一點,采用上述泵浦調(diào)制電路對光纖激光振蕩器進行供電測試,測試結(jié)果如圖6 所示,這里激光、電流強度歸一化處理,泵浦調(diào)制電路輸出電流16 A,緩升時間0.16 ms,光纖激光振蕩器穩(wěn)態(tài)輸出功率750 W,0.97Pmax時間小于1 ms,無激光過沖。

圖6 泵浦調(diào)制后750W光纖激光器測試圖Fig.6 Test chart of 750 W fiber laser after pump modulation

上述實驗結(jié)果分析表明,泵浦抽運速率是影響光纖激光振蕩器產(chǎn)生過沖效應(yīng)的主要因素之一,通過泵浦調(diào)制可以抑制光纖激光器的過沖效應(yīng)；本文設(shè)計的泵浦調(diào)制電路滿足光纖激光器對泵浦抽運速率的需求；通過滯后RC控制MOS管的導(dǎo)通,泵浦驅(qū)動電流緩升時間0到3 ms可調(diào)；大功率光纖耦合半導(dǎo)體泵浦源的直接調(diào)制特性良好,泵浦調(diào)制電路可根據(jù)光纖激光振蕩器的需求,對泵浦抽運速率進行不同程度的優(yōu)化；經(jīng)泵浦抽運速率過優(yōu)化后,光纖激光器輸出達到0.97Pmax的時間小于1 ms,光纖激光器瞬態(tài)響應(yīng)特性良好,無激光過沖。

4 結(jié) 論

本文針對高功率激光器的過沖效應(yīng)會導(dǎo)致光束質(zhì)量惡化并極有可能造成激光器損壞的問題,理論分析了光纖激光器的過沖效應(yīng)產(chǎn)生機理,結(jié)果表明,過沖效應(yīng)與泵浦抽運速率和自發(fā)輻射率等因素有關(guān),泵浦抽運速率影響光纖激光振蕩器中受激輻射光子數(shù)密度方程的阻尼振蕩系數(shù)、振蕩頻率,通過降低泵浦抽運速率能有效地抑制光纖激光器的過沖效應(yīng)。設(shè)計泵浦調(diào)制電路對泵浦抽運速率進行優(yōu)化,并搭建了一套750 W光纖激光器系統(tǒng),激光過沖峰值功率1450 W,相同條件下經(jīng)泵浦調(diào)制后,激光過沖得到衰減了-2.86 dB,0.97Pmax時間小于1 ms,光束質(zhì)量和光譜特性不發(fā)生變化,通過實驗驗證了理論與實驗結(jié)果的一致性。