安毅 潘志勇 楊歡 黃良金 馬鵬飛 閆志平 姜宗福 周樸

(國(guó)防科技大學(xué)前沿交叉學(xué)科學(xué)院, 長(zhǎng)沙 410073)

(2021 年4 月12 日收到; 2021 年5 月11 日收到修改稿)

1 引 言

高功率單頻光纖激光器在激光雷達(dá)、相干合成、相干光通信、非線性頻率變換、引力波探測(cè)等領(lǐng)域具有巨大的應(yīng)用需求[1-5]. 近年來(lái), 隨著高性能增益光纖及光纖器件的發(fā)展, 高功率單頻光纖激光器的輸出功率得到較大提升[6-14], 但功率的進(jìn)一步提升受到了受激布里淵散射(stimulated Brillouin scattering, SBS)效應(yīng)[15]和橫向模式不穩(wěn)定(transverse mode instability, TMI)效應(yīng)[16-18]的限制. 一般而言, SBS 效應(yīng)在小芯徑光纖中更易發(fā)生, 產(chǎn)生的后向斯托克斯光會(huì)導(dǎo)致光纖損傷; 而TMI 效應(yīng)在大芯徑光纖中更易發(fā)生, 會(huì)引起光束質(zhì)量的突然惡化. 受限于這兩個(gè)因素, 高功率單頻光纖激光器的輸出功率始終停留在數(shù)百瓦量級(jí).2014 年, 美國(guó)空軍實(shí)驗(yàn)室的Robin 等[9]通過(guò)對(duì)新型聲場(chǎng)裁剪摻鐿光子晶體光纖施加溫度梯度, 基于空間結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)了功率為811 W,M2因子小于1.2的單頻單模激光輸出, 這是目前公開報(bào)道的單頻光纖激光器的最高輸出功率. 相比于空間結(jié)構(gòu), 全光纖結(jié)構(gòu)單頻激光器具有結(jié)構(gòu)更加緊湊、性能更加穩(wěn)定、維護(hù)更加方便等優(yōu)勢(shì). 2013 年, 中國(guó)科學(xué)院上海光學(xué)精密機(jī)械研究所的張磊等[7]通過(guò)對(duì)纖芯包層比為10 μm/125 μm 的單模光纖施加應(yīng)力梯度和溫度梯度實(shí)現(xiàn)了功率171 W,M2= 1.02 的單頻單模激光輸出. 2016 年, 國(guó)防科技大學(xué)的黃龍等[10]采用纖芯包層比為25 μm/250 μm 的大模場(chǎng)保偏高摻雜光纖, 通過(guò)施加應(yīng)力梯度的方式實(shí)現(xiàn)了功率414 W,M2= 1.34 的單頻單模激光輸出.

長(zhǎng)錐形光纖[19-21]為單頻光纖激光器功率的進(jìn)一步提升提供了新的解決思路. 相比于常規(guī)均勻直徑光纖, 長(zhǎng)錐形光纖纖芯直徑隨長(zhǎng)度的增加而逐漸增加. 其小芯徑端支持的模式較少, 可有效地保證激光的單模特性并能夠提高TMI 閾值, 而大芯徑端模場(chǎng)面積大, 能夠提高SBS 閾值. 因此, 長(zhǎng)錐形光纖有望在小芯徑和大芯徑之間“揚(yáng)長(zhǎng)避短”, 在一定程度上兼顧TMI 和SBS 的抑制. 2020 年, 國(guó)防科技大學(xué)的來(lái)文昌等[12]基于一段長(zhǎng)度為1.3 m 的長(zhǎng)錐形大模場(chǎng)保偏增益光纖(其輸入端纖芯包層比為36.1 μm/249.3 μm, 輸出端纖芯包層比為57.8 μm/397.3 μm), 將全光纖結(jié)構(gòu)單頻光纖激光器的輸出功率提升至550 W, 測(cè)得的M2因子為1.47. 這是已報(bào)道的全光纖結(jié)構(gòu)單頻激光器的最高功率記錄,功率的進(jìn)一步提升有賴于增益光纖參數(shù)的進(jìn)一步優(yōu)化設(shè)計(jì).

近年來(lái), 國(guó)產(chǎn)大模場(chǎng)摻鐿光纖的制備工藝和高功率應(yīng)用不斷取得新突破[22-32], 其中上海光學(xué)精密機(jī)械研究所基于自研25 μm/400 μm 光纖實(shí)現(xiàn)了2.2 kW 的窄線寬單模激光輸出[27], 國(guó)防科技大學(xué)基于自研雙錐形光纖實(shí)現(xiàn)了4 kW 的寬譜單模激光輸出[31], 中國(guó)工程物理研究院基于自研的泵浦增益一體化光纖實(shí)現(xiàn)了11.23 kW 的寬譜高功率輸出[32]. 盡管國(guó)產(chǎn)光纖在寬譜和窄線寬領(lǐng)域的應(yīng)用已經(jīng)較為廣泛, 但在單頻激光領(lǐng)域的應(yīng)用較少.2007 年, 中國(guó)科學(xué)院上海光學(xué)精密機(jī)械研究所的張芳沛等[33]基于一段長(zhǎng)度為5.3 m 的39 μm/600 μm國(guó)產(chǎn)光纖實(shí)現(xiàn)了中心波長(zhǎng)1064 nm、功率為7.3 W、斜率效率為39%的單頻激光輸出. 2011 年, 國(guó)防科技大學(xué)的董小林等[34]基于一段長(zhǎng)度為5 m 的30 μm/400 μm 國(guó)產(chǎn)光纖實(shí)現(xiàn)了中心波長(zhǎng)1063.8 nm、功率為122 W、斜率效率為72%的單頻激光輸出.此后未見基于國(guó)產(chǎn)光纖實(shí)現(xiàn)的該波段更高功率的公開報(bào)道.

結(jié)合國(guó)產(chǎn)光纖和單頻光纖激光器的發(fā)展現(xiàn)狀,基于國(guó)產(chǎn)增益光纖實(shí)現(xiàn)高功率單頻光纖激光輸出具有重要意義. 最近, 國(guó)防科技大學(xué)基于自主研制的長(zhǎng)錐形摻鐿雙包層非保偏光纖搭建了全光纖結(jié)構(gòu)的單頻主振蕩功率放大(master oscillator poweramplifier, MOPA)系統(tǒng), 實(shí)現(xiàn)了輸出功率超過(guò)400 W、斜率效率81.7%,M2因子為1.29 (400 W 時(shí)測(cè)得)的單頻單模激光輸出. 據(jù)可查詢資料, 這是基于國(guó)產(chǎn)光纖實(shí)現(xiàn)的單頻單模激光的最高輸出功率.

2 實(shí)驗(yàn)設(shè)置

自研的長(zhǎng)錐形摻鐿雙包層光纖的纖芯和內(nèi)包層直徑的比值固定為0.12, 測(cè)量得到的小端纖芯包層比為30.3 μm/245 μm, 大端纖芯包層比為49.3 μm/404 μm. 光纖總長(zhǎng)度為2.2 m, 其中錐區(qū)約為2 m,兩端的小芯徑和大芯徑均勻區(qū)分別為0.1 m. 光纖的纖芯數(shù)值孔徑(NA)為0.06, 小芯徑均勻區(qū)的吸收譜如圖1 所示.

圖1 長(zhǎng)錐形光纖小芯徑均勻區(qū)的吸收譜Fig. 1. Absorption spectrum of the small-core region of the long tapered fiber.

基于該光纖的全光纖結(jié)構(gòu)的單頻光纖激光器系統(tǒng)如圖2 所示. 單頻種子激光(seed)中心波長(zhǎng)為1064 nm、線寬約為20 kHz、輸出功率為30 mW.種子激光經(jīng)過(guò)隔離器(ISO)和兩級(jí)預(yù)放大器(twostage pre-amplifiers)后功率約為5 W, 然后通過(guò)耦合器(tapper)和合束器(combiner)注入到主放大器, 其中耦合器后向的輸出臂用于監(jiān)測(cè)主放大器中產(chǎn)生的后向回光(backward monitor), 以判斷主放大器中SBS 效應(yīng)是否達(dá)到閾值. 主放大器采用前向泵浦的方式進(jìn)行激光放大, 泵浦源為6 個(gè)最大輸出功率為95 W、中心波長(zhǎng)為976 nm 的激光二極管(LD). 所用(6+1)×1 合束器的信號(hào)輸入臂和輸出臂的纖芯/內(nèi)包層直徑分別為15 μm/130 μm和30 μm/250 μm. 長(zhǎng)錐形光纖的大部分區(qū)域盤繞在水冷盤上, 彎曲半徑約為10—15 cm, 尾纖脫離水冷盤, 固定于精密調(diào)節(jié)架上. 為避免端面反饋對(duì)系統(tǒng)的不利影響, 尾纖末端切割成8°斜角. 放大后的激光經(jīng)斜角輸出至自由空間, 并經(jīng)空間準(zhǔn)直器準(zhǔn)直. 此時(shí)的輸出光束中含有未被光纖吸收的剩余泵浦光. 利用二色鏡濾除剩余泵浦光后, 進(jìn)行輸出功率、光譜、時(shí)域、光束質(zhì)量等參數(shù)的測(cè)量. 其中測(cè)量光束質(zhì)量時(shí)需要調(diào)整光路, 加入足夠的衰減器件以確保進(jìn)入到光束質(zhì)量測(cè)量?jī)x中的光功率在儀器的承受范圍.

圖2 基于長(zhǎng)錐形雙包層光纖搭建的單頻光纖放大器的實(shí)驗(yàn)裝置圖Fig. 2. Experimental setup of single frequency fiber amplifier based on tapered double clad fiber.

3 結(jié)果與分析

實(shí)驗(yàn)中利用光電探測(cè)器監(jiān)測(cè)功率計(jì)靶面的散射光, 以判斷是否有TMI 效應(yīng)出現(xiàn). 當(dāng)輸出光功率至400, 418 和434 W 時(shí), 系統(tǒng)時(shí)域結(jié)果如圖3(a)、圖3(c)和圖3(e)所示, 頻域結(jié)果如圖3(b)、圖3(d)和圖3(f)所示. 圖3(a)和圖3(b)中的時(shí)頻域結(jié)果表明在輸出功率為400 W 時(shí), 光電探測(cè)器接收到的散射光的強(qiáng)度無(wú)明顯波動(dòng), 表明此時(shí)系統(tǒng)并未出現(xiàn)TMI 效應(yīng). 根據(jù)圖3(c)—(f)結(jié)果可知, 當(dāng)輸出功率增加至418 W 時(shí)域信號(hào)開始在ms 量級(jí)的尺度上出現(xiàn)輕微的波動(dòng), 對(duì)應(yīng)的頻域曲線上開始出現(xiàn)明顯的高頻分量; 當(dāng)輸出功率進(jìn)一步增加至434 W時(shí), 時(shí)域信號(hào)的波動(dòng)更加明顯. 因此, 這些現(xiàn)象預(yù)示著輸出功率在400 W 時(shí), TMI 效應(yīng)尚未出現(xiàn),當(dāng)輸出功率進(jìn)一步增加, TMI 效應(yīng)出現(xiàn).

圖3 不同輸出功率下, 光電探測(cè)器接收光信號(hào)的時(shí)頻域 (a)輸出功率為400 W 時(shí)的時(shí)域; (b) 輸出功率為400 W 時(shí)的頻域; (c) 輸出功率為418 W 時(shí)的時(shí)域; (d) 輸出功率為418 W 時(shí)的頻域; (e) 輸出功率為434 W 時(shí)的時(shí)域; (f) 輸出功率為434 W 時(shí)的頻域Fig. 3. The detected scattering light signals under different output power levels: (a) Time domain when output power reaches 400 W; (b) frequency domain when output power reaches 400 W; (c) time domain when output power reaches 418 W; (d) frequency domain when output power reaches 418 W; (e) time domain when output power reaches 434 W; (f) frequency domain when output power reaches 434 W.

測(cè)得輸出功率和回光功率隨泵浦光功率的變化情況如圖4 所示. 從圖4 中可以看出, 隨著泵浦功率增大, 輸出功率近似呈線性增長(zhǎng), 整個(gè)過(guò)程沒有觀察到功率下降現(xiàn)象. 當(dāng)泵浦功率為0 W 時(shí), 輸出激光功率為4.5 W; 當(dāng)泵浦功率為502 W 時(shí), 輸出激光功率為400 W, 對(duì)應(yīng)的斜率效率約為81.7%.該輸出功率下對(duì)應(yīng)的后向回光僅為8.4 mW, 約為前向輸出功率的0.021‰. 在整個(gè)放大過(guò)程中, 回光沒有出現(xiàn)非線性增長(zhǎng)的跡象, 這表明SBS 效應(yīng)得到了良好的抑制.

圖4 輸出功率、回光功率隨泵浦光功率的變化Fig. 4. Output power and backward power versus pump power.

注入主放大器前的種子光和經(jīng)過(guò)主放大器后不同輸出功率下的光譜如圖5 所示. 其中, 圖5(a)是經(jīng)過(guò)預(yù)放大器后、注入主放大器前的種子光的光譜, 光譜的信噪比約為24 dB; 圖5(b)—(d)分別是輸出功率為109, 255, 和400 W 時(shí)的光譜. 從圖5(b)—(d)可以看到, 在不同輸出功率下光譜中無(wú)泵浦光成分, 說(shuō)明剩余泵浦光已經(jīng)被二色鏡充分濾除. 同時(shí), 光譜中無(wú)放大自發(fā)輻射(ASE)成分. 伴隨著輸出功率的增加, 光譜的信噪比也逐漸增加, 400 W輸出功率下的信噪比約為32 dB.

圖5 種子光及經(jīng)過(guò)主放大器后不同輸出功率下的光譜 (a) 種子光; (b) 輸出功率109 W; (c) 輸出功率255 W; (d) 輸出功率400 WFig. 5. Spectra of the seed light and the output laser with different power lever: (a) Seed light; (b) output power of 109 W; (c) output power of 255 W; (d) output power of 400 W.

測(cè)得不同輸出功率下的M2因子變化情況, 如圖6 所示. 從圖6 中可以看到, 在不同輸出功率下Mx2和My2的測(cè)量值均保持在1.4 以下, 這也表明400 W 時(shí)系統(tǒng)未出現(xiàn)TMI 效應(yīng). 在輸出功率為400W時(shí),Mx2和My2的測(cè)量值分別為1.254和1.325,等效M2為1.29.圖6還給出了輸出功率為400 W時(shí)束腰光斑的形態(tài).M2的測(cè)量值和光斑形態(tài)表明了單頻光纖放大器的單模輸出特性.

圖 6 光束質(zhì)量因子隨輸出功率的變化Fig. 6. Beam quality factor versus output power.

實(shí)驗(yàn)過(guò)程中未觀察到SBS 效應(yīng), 功率的進(jìn)一步提升主要受限于TMI 效應(yīng), 下面對(duì)后續(xù)的優(yōu)化設(shè)計(jì)方案進(jìn)行討論. 根據(jù)文獻(xiàn)[11]的分析, 減小長(zhǎng)錐形光纖的纖芯直徑將有效提高TMI 閾值, 本文自研長(zhǎng)錐形光纖的纖芯直徑從30.3 μm 變化到49.3 μm, 后續(xù)可以嘗試將長(zhǎng)錐形光纖小端的纖芯直徑減小至25 或20 μm. 同時(shí), 實(shí)驗(yàn)中長(zhǎng)錐形光纖尾部由于未進(jìn)行有效冷卻, 過(guò)量的熱積累降低了TMI 的閾值, 使用合適長(zhǎng)度的匹配被動(dòng)光纖將能實(shí)現(xiàn)對(duì)整段摻雜光纖的有效冷卻, 從而一定程度提高TMI 閾值. 另外, 實(shí)驗(yàn)中還發(fā)現(xiàn)擾動(dòng)長(zhǎng)錐形光纖的尾纖會(huì)導(dǎo)致輸出光斑形態(tài)的變化和光束質(zhì)量的退化. 其可能原因是光纖的NA較小, 且尾部的光纖芯徑較大, 光纖的模式耦合更嚴(yán)重. 此外, 目前實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)為非保偏系統(tǒng), 后續(xù)將構(gòu)建保偏實(shí)驗(yàn)系統(tǒng), 實(shí)現(xiàn)單偏振激光輸出. 由于保偏輸出和非保偏輸出的實(shí)驗(yàn)結(jié)構(gòu)較為相似, 實(shí)現(xiàn)單偏振輸出的主要難點(diǎn)在于保偏長(zhǎng)錐形光纖的制備. 綜合以上分析,下一步將優(yōu)化光纖制備工藝, 研制纖芯直徑較小、熱分布均勻的非保偏和保偏長(zhǎng)錐形摻鐿雙包層光纖以及匹配的被動(dòng)光纖, 并改進(jìn)實(shí)驗(yàn)結(jié)構(gòu), 以期基于國(guó)產(chǎn)光纖實(shí)現(xiàn)更高功率的單頻激光輸出.

4 結(jié) 論

長(zhǎng)錐形光纖是實(shí)現(xiàn)單頻光纖激光器高功率和高光束質(zhì)量輸出的有效途徑. 本文基于自研的一段長(zhǎng)度為2.2 m 的長(zhǎng)錐形摻鐿雙包層光纖, 搭建了單頻MOPA 系統(tǒng), 在泵浦光功率約為502 W 時(shí), 獲得功率400 W,M2因子1.29、信噪比32 dB 的單頻單模激光輸出. 激光系統(tǒng)的斜率效率為81.7%,在輸出功率為418 W 時(shí)出現(xiàn)TMI 效應(yīng). 這是目前基于國(guó)產(chǎn)增益光纖實(shí)現(xiàn)的最高功率全光纖結(jié)構(gòu)單頻單模光纖激光器. 進(jìn)一步優(yōu)化光纖參數(shù)、改進(jìn)實(shí)驗(yàn)結(jié)構(gòu)將有望基于國(guó)產(chǎn)光纖實(shí)現(xiàn)更高功率的單頻單模激光輸出.

感謝何加威、肖亮、喻湘榮、陳瀟、范晨晨、李浩博等在實(shí)驗(yàn)過(guò)程中的支持和幫助.