高性能1018 nm光纖及激光器實驗研究*

王一礴1) 陳瑰1) 謝璐1) 蔣作文1)2) 李進延1)2)?

1)(華中科技大學光電子科學與技術學院，武漢 430074)

2)(武漢國家光電實驗室，武漢 430074)

(2012年7月20日收到;2012年9月11日收到修改稿)

1 引言

與傳統的固體激光器相比，光纖激光器有其獨特的優點，例如結構緊湊、有利于散熱、抽運效率高等等.在20世紀80年代末美國Polaroid公司提出雙包層光纖之后，光纖激光器得到了飛速發展[1-5].近年來，摻鐿光纖激光器由于轉換效率高、無濃度猝滅等優點，逐漸在光纖激光器領域里扮演著重要角色，其輸出功率由毫瓦量級增長到現在的萬瓦量級.無論在工業、醫學還是軍事等領域，高功率摻鐿光纖激光器都有著廣泛的應用前景.

然而在追求高功率的過程中，熱效應逐漸成為一個極大的制約因素，除了改進抽運光的耦合方式以減小耦合熱損耗外，由于光纖本身的損耗帶來的熱問題也同樣影響到激光器的穩定運轉.同帶級聯抽運可以減小光纖激光器的量子虧損，從而減少熱效應的影響.2009年6月，IPG公司推出了一臺10 kW的連續單模摻鐿光纖激光器，它所采用的就是同帶級聯抽運的結構[6].該激光器先由975 nm的LD抽運出1018 nm的激光，再用1018 nm抽運放大1 kW的1070 nm種子源.由于1018 nm的光纖激光器光束質量好、亮度高，因此其放大級抽運光利用率高.受激離子的量子虧損被定義為 η=1-hν1/hν2，其中 h 是普朗克常數，ν1和ν2分別是激光頻率和抽運光頻率.當抽運波長和激光波長相差較大時，ν1和ν2也相差較大，這樣就增加了量子虧損.由于激光器中的大部分熱都來自于量子虧損，因此，降低量子虧損是熱管理的有效途徑.相比于975 nm抽運，1018 nm抽運1070 nm時量子虧損小，在熱管理方面有極大的優勢.因此，1018 nm光纖激光器的研究成為重要課題.近期，國內有很多科研單位進行了這方面的研究[7,8].2012年，國防科技大學報道了113 W主振蕩功率放大結構的1018 nm全光纖激光器[9].然而目前所報道的1018 nm光纖激光器效率不高，這極大程度上要歸因于增益光纖的選取.傳統的摻鐿光纖在1018 nm處的發射截面很小，因此不適合作為1018 nm光纖激光器的增益介質.主振蕩功率放大的結構固然可以提高輸出功率，但不能從根本上擺脫增益介質的限制.本文利用改進化學氣相沉積(MCVD)工藝和氣相-液相復合摻雜的方法，通過對工藝參數和摻雜組分的不斷改進，使光纖的熒光次峰藍移，并得到了1018 nm激光的高效率輸出.

2 原理及制備

Yb3+離子的能級結構很簡單，只包括2F5/2和2F7/2兩個多重態，因此不存在激發態吸收，并且光轉化效率高.在光纖中，Yb3+離子的這兩個能級在基質的影響下會產生Stark分裂，其周圍電場的非均勻分布消除了能級簡并，因此對于給定的電子躍遷，將出現精細結構.Yb3+離子在915 nm和975 nm處有兩個吸收峰，在975 nm和1036 nm處有兩個發射峰.

在玻璃系統中，Yb3+離子處于網絡修飾體的位置且與六個氧原子連接，每個氧原子的另一端連接著網絡構成體.如果這些網絡構成體擁有不同的場強、極化率或氧配位數時，Yb3+離子就處于一個非對稱的環境中(圖1).這些差別越大，環境的非對稱度就越大，將導致更大的發射截面[10].同時，基質還會引起聲子加寬，當兩個能級之間發生躍遷時，會伴隨著聲子的能量傳遞，在一定條件下，這將引起Yb3+離子吸收和發射譜的擴展，并改變吸收和發射譜的中心波長.為了增加1018 nm激光輸出的斜率效率，就要通過改變摻雜成分將Yb3+離子的發射次峰藍移并增加1018 nm處的發射截面.研究表明，共摻P，Al等離子可以使得Yb3+離子周圍環境對稱度降低，增加聲子加寬，增大發射截面并改變熒光峰的位置[11,12].

Yb3+離子不存在濃度猝滅，因此其摻雜濃度主要取決于Yb3+離子在基質中的溶解度.石英光纖中Yb3+離子容易發生團簇，使得預制棒芯部出現析晶現象.研究發現摻入P和Al可以增加石英光纖中Yb3+離子的溶解度.當Al2O3作為網絡形成體時，是以[AlO]四面體的形式存在的，相比于[SiO]四面體，[AlO]四面體擁有負電價，因此要吸附陽離子以保持電中性，這樣就提高了Yb3+離子的溶解度.當P2O5作為網絡形成體時，情況與Al2O3不同.P和O構成[PO]四面體，其中有一個鍵是雙鍵，雙鍵的另一端沒有其他離子(圖2)，這個通過雙鍵與P鏈接的氧原子稱為非橋氧.Yb3+離子作為網絡修飾體，填隙于玻璃網絡中，這使得非橋氧得到增加.這種結構可以提高Yb3+離子的溶解度[13].根據以上理論，經過綜合考慮，確定了以P和Al為基本共摻元素，并配以其他元素，以達到改變Yb3+離子周圍環境對稱性從而改變摻鐿光纖熒光次峰位置的目的.

傳統的摻鐿光纖是單摻Al類的，一般采用MCVD工藝和液相摻雜的方法.本實驗的光纖預制棒的制備方法為MCVD工藝和氣相-液相復合摻雜法，其大體過程為：1)首先在較高的溫度下于純石英反應管內壁沉積一層透明的包層，這一層沉積的主要是SiO2;2)然后在較低溫度下沉積疏松層，由于反應溫度較低，所以這一層顆粒之間存在大量空隙，為不透明狀，在這一步，由于POCl3常溫下為液體，所以可以通過氧氣鼓泡將POCl3蒸氣帶入反應管進行反應沉積P2O5;3)再將共摻Al等元素的Yb3+溶液倒入反應管，Yb3+等離子會擴散到疏松層的空隙當中;4)最后在高溫下將反應管縮實.

圖1 Yb3+離子周圍非對稱環境

圖2 [PO]四面體

由于P2O5的揮發溫度很低，所以在預制棒制備過程中，P2O5極易揮發，因此高濃度摻雜磷成為一個難題.目前MCVD過程中，一般采用正向沉積進行摻雜(圖3(a)).在此過程中，氧化物會在火焰的上游沉積，當火焰經過上游的沉積物時，會將其燒結.而我們采用反向沉積(圖3(b))工藝，因為在此過程中，氧化物會在火焰的下游沉積，這樣就沒有了燒結的過程，避免了P2O5的過度揮發，從而使疏松層的厚度得到了保證.其難點在于要合理地調整沉積溫度、氣體流量、管內壓強、火焰移動速度等參數，使疏松層的致密度恰到好處，不能過于致密，否則溶液摻雜時Yb3+離子無法進入疏松層;又不能過于疏松，否則沉積物容易脫落.

圖3 沉積示意圖 (a)正向沉積;(b)反向沉積

3 實驗結果與分析

首先對特制的摻鐿光纖預制棒切片和普通單摻鋁的摻鐿光纖預制棒切片進行了熒光測試，得到的熒光光譜如圖4所示.相比于普通摻鐿光纖預制棒切片的1025 nm，很明顯特制的摻鐿光纖預制棒切片的熒光次峰位置發生了藍移，其中心波長在1008 nm.而且還可以從圖中看出熒光光譜得到了展寬，這是因為在共摻多種元素的情況下，Yb3+周圍的配位場的對稱度降低，使得Stark分裂和能級展寬加劇.

將預制棒拉制成雙包層光纖，芯徑為15μm，內包層直徑為130μm.在不加光柵的情況下對不同長度的增益光纖進行了自由運轉測試，觀察其自發輻射的強度和自激波長.研究發現，在不同增益光纖長度的情況下，均可以自激，并且隨著光纖長度的減小，自激波長逐漸藍移.圖5給出了增益光纖長度與自激波長的關系.通過理論推導，光纖長度與激射波長的關系可以用公式表示為

其中Zu和Zl分別為激光上下能級簇的函數，Eul為激光上下能級Stark分裂而形成的兩能級簇的最低能級差，K為玻爾茲曼常數，T為溫度，h為普朗克常數，λ為激射波長，L為光纖長度，Nt為摻雜濃度.σap和σep分別為抽運波長的吸收和發射截面，Ip和Ic分別為抽運光強和飽和抽運光強.

由此可知，較大的L會激發出更長的波長的激光.另外，在實驗中發現，與自激強度相比，自發輻射強度很小，相差有30 dB以上.

圖4 預制棒切片熒光光譜

圖5 光纖長度與自激波長的關系

激光器結構如圖6所示，采用全光纖結構，由975 nm半導體激光器抽運，一對中心波長在1018 nm的光纖光柵構成諧振腔，其中一個光柵在1018 nm處的反射率為98%，另一個光柵用作輸出端，在1018 nm處的發射率為24%.將諧振腔尾端的一段光纖的外包層剝除，外表涂上高折射率涂料以濾除抽運光.光纖輸出端面切成了8°傾角防止反射光對系統造成損傷.

我們嘗試了不同長度的增益光纖.依據上述實驗結果，將增益光纖長度選取為更有利于短波長激射的4，6和8 m.測得濾除抽運光前后的輸出功率，得到了1018 nm輸出功率和剩余抽運光功率(圖7(a)—(c)).觀察可知，光纖長為6 m時激光功率最大，而光纖長為8 m時剩余抽運光最少.其原因在于6 m的增益光纖沒有充分吸收抽運光，使得很多抽運功率被浪費，而8 m的增益光纖雖然吸收了更多的抽運光，但由于不利于短波長激光的激射，造成激光輸出功率下降.在此基礎上，對7 m的增益光纖進行了測試(圖7(d))，與上述結果對比發現，在增益光纖長度為7 m時，輸出功率最大，并且剩余抽運光較少，因此確定最佳長度為7 m.當抽運光功率為22 W時，有13.6 W的激光輸出，光-光效率達到了68%;當抽運功率為44 W時，輸出功率為22.8 W，光-光效率為62.8%.在實驗過程中，沒有明顯的自發輻射和飽和現象.抽運光功率為47 W時，激光輸出的光譜如圖8(a)所示，中心波長為1018.3 nm，譜寬為0.076 nm.

圖6 激光器結構示意圖

圖7 不同長度光纖的激光輸出功率和剩余抽運光功率

利用同樣的結構對傳統的摻鐿光纖進行了激光測試，得到了在最佳長度情況下的激光光譜.與我們制備的光纖進行對比(如圖8)可以看出，新型光纖的信噪比遠遠優于傳統光纖.另外將輸出功率和剩余抽運光功率也進行了測試，與之前測得的結果進行對比(如圖9和圖10)可以看出，新型的摻鐿光纖輸出功率更高，而且剩余抽運光更少，從而減少了光纖內部的殘余熱量，有利于熱管理.

圖8 傳統摻鐿光纖與新型摻鐿光纖激光光譜對比

圖9 傳統摻鐿光纖與新型摻鐿光纖輸出功率對比

圖10 傳統摻鐿光纖與新型摻鐿光纖剩余抽運光功率對比

4 結論

針對同帶抽運光纖激光器的要求，通過調整摻鐿光纖纖芯材料組分和改進光纖制備工藝進行了1018 nm激光輸出的實驗研究.實驗結果表明，制備的有利于1018 nm激光輸出的雙包層摻鐿光纖，光光效率接近70%，且沒有明顯的自發輻射和飽和現象.在44 W抽運時輸出功率達到22.8 W，信噪比為36 dB.這一系列結果均為首次報道.與傳統摻鐿光纖進行對比得知，這種光纖在1018 nm處具有更高的轉化效率，而且有利于減少光纖內的熱負載.通過光纖材料的優化設計和制備工藝的進一步改進，有望進一步提高在1018 nm的激光輸出效率.

感謝上海光機所周軍老師和王建華博士在激光測試方面的大力協助.

[1]Pask H M，Archambault J L，Hanna D C，Reekie L，Russell P S J，Townsend J E，Tropper A C 1994Electron.Lett.30 863

[2]Zellemer H，Willamowski U，Tu¨nnermann A，Welling H 1995Opt.Lett.20 578

[3]Zellmer H，Tu¨nnermann A，Welling H，Reichel V 1997Optical Amplifiers and Their Applications(OAA)Victoria，Canada，July 21，1997

[4]Dominic V，MacCormack S，Waarts R，Sanders S，Bicknese S，Dohle R，Wolak E，Yeh P S，Zucke E 1999Electron.Lett.35 1158

[5]Jeong Y，Sahu J K，Payne D N，Nilsson J 2004Opt.Exp.12 6088

[6]Richardson D，Nilsson J，Clarkson W 2010J.Opt.Soc.Am.B 27 63

[7]Xiao H，Leng J Y，Wu W M，Wang X L，Ma Y X，Zhou P，Xu X J，Zhao G M 2011Acta Phys.Sin.60 124207(in Chinese)[肖虎，冷進勇，吳武明，王小林，馬閻星，周樸，許曉軍，趙國民2011物理學報60 124207]

[8]Li Z，Zhou J，He B，Wei Y R，Dong J X，Lou Q H 2011Chin.Opt.Lett.9 091401

[9]Liu Z J，Xiao H，Zhou P，Wang X L，Chen J B 2012Chin.J.Lasers39 0305009(in Chinese)[劉澤金，肖虎，周樸，王小林，陳金寶2012中國激光39 0305009]

[10]Zou X L，Toratani H 1995Phys.Rev.B 52 889

[11]Kirchhof J，Unger S 1999Optical Fiber Communication Conference 1999,and the International Conference on Integrated Optics and Optical Fiber Communication.OFC/IOOC’99.Technical DigestSan Diego，CA，Feb 21—26 1999，196

[12]Kirchhof J，Unger S，Schwuchow A，Jetschke S，Knappe B 2005SPIEBellingham，WA，2005 261

[13]Vienne G G，Caplen J E，Dong L，Minely J D，Nilsson J，Payne D N 1998J.Lightwave Technol.16 1990