高功率、低量子虧損同帶抽運(yùn)摻鐿光纖放大器

姜曼 肖虎 周樸 王小林 劉澤金

(國(guó)防科學(xué)技術(shù)大學(xué)光電科學(xué)與工程學(xué)院,長(zhǎng)沙 410073)

(2012年8月23日收到;2012年9月3日收到修改稿)

1 引言

隨著光纖制作的工藝水平以及高亮度半導(dǎo)體激光器二極管(LD)抽運(yùn)技術(shù)的快速發(fā)展,單根雙包層光纖激光器的輸出功率得到了飛速的提高[1?7].然而,抽運(yùn)過(guò)程中的量子數(shù)虧損和LD有限的亮度這兩個(gè)因素制約了單根光纖的最大輸出功率[6,7].采用傳統(tǒng)的利用LD直接抽運(yùn)摻鐿光纖激光器的方式,所獲得的最大輸出功率將被限制在千瓦級(jí)水平[8].因此,為了能夠進(jìn)一步提高單根光纖激光器的輸出功率,就需要從抽運(yùn)源的亮度和量子效率兩個(gè)方面著手.一種比較有效的解決方案就是利用短波長(zhǎng)摻鐿光纖激光器抽運(yùn)摻鐿光纖的同帶抽運(yùn)的方式[8].一方面,與LD的波長(zhǎng)相比,抽運(yùn)光的波長(zhǎng)與輸出激光的波長(zhǎng)更加接近,這樣就使得激光器的量子數(shù)虧損減小,熱效應(yīng)降低.另一方面,抽運(yùn)光的亮度比LD抽運(yùn)光源的亮度要高很多,良好的光束質(zhì)量有利于激光器對(duì)于抽運(yùn)光的吸收,提高了光光轉(zhuǎn)換效率.目前國(guó)際上最高功率的光纖激光器即是利用多束1018 nm光纖激光對(duì)摻鐿光纖進(jìn)行同帶抽運(yùn)實(shí)現(xiàn)的[9].

由于1018 nm波段的吸收截面和發(fā)射截面的大小幾乎一樣,并且遠(yuǎn)小于常規(guī)波段(1060—1130 nm)[10]的發(fā)射截面,這就使得它很容易出現(xiàn)受激自發(fā)輻射(ASE)和自激現(xiàn)象.因此,在國(guó)內(nèi)外有關(guān)該波段光纖激光器的研究報(bào)道為數(shù)不多.在國(guó)外,IPG公司已實(shí)現(xiàn)300 W量級(jí)的1018 nm摻鐿光纖激光器,但未報(bào)道有關(guān)該激光器實(shí)驗(yàn)的細(xì)節(jié)和數(shù)據(jù).在國(guó)內(nèi),2011年,Li等[11]報(bào)道了7.5 W的空間結(jié)構(gòu)1018 nm光纖激光器,斜率效率約為16%.同年,Liu等[12]報(bào)道了輸出功率為113 W的1018 nm光纖放大器,斜率效率為77%.在1018 nm波段同帶抽運(yùn)方面,Xiao等[13]報(bào)道了一臺(tái)瓦量級(jí)同帶抽運(yùn)高效率光纖放大器,斜率效率約為80%.目前還未見(jiàn)瓦量級(jí)以上更高功率的實(shí)驗(yàn)報(bào)道.

本文報(bào)道一臺(tái)基于短波長(zhǎng)摻鐿光纖激光器抽運(yùn)摻鐿光纖的同帶抽運(yùn)的高功率、低量子虧損摻鐿光纖放大器.搭建一臺(tái)高效率、全光纖結(jié)構(gòu)的1018 nm激光器,并用其對(duì)摻鐿光纖進(jìn)行同帶抽運(yùn),對(duì)1080 nm波段激光進(jìn)行高效放大,最終獲得了18.6 W 1080 nm波段激光輸出,光-光轉(zhuǎn)換效率高達(dá)90.86%,充分體現(xiàn)了同帶抽運(yùn)低量子虧損的優(yōu)勢(shì).

2 高功率1018 nm激光光源

實(shí)驗(yàn)中采用的1018 nm激光光源的結(jié)構(gòu)如圖1所示.整個(gè)系統(tǒng)為全光纖結(jié)構(gòu).振蕩器由高反射率光纖布拉格光柵(HR FBG)和低反射率光纖布拉格光柵(LR FBG)共同組成.抽運(yùn)源為穩(wěn)波長(zhǎng)LD,輸出激光的中心波長(zhǎng)為976 nm.激光二極管發(fā)出的抽運(yùn)光經(jīng)合束器,通過(guò)HR FBG 到摻鐿光纖中,再經(jīng)過(guò)LR FBG實(shí)現(xiàn)激光輸出.

圖1 1018 nm光纖激光器結(jié)構(gòu)圖

激光器的輸出光譜和功率特性曲線分別如圖2(a)和(b)所示. 在最大抽運(yùn)功率為28.6 W時(shí),得到了21 W 1018 nm光纖激光輸出,光-光轉(zhuǎn)換效率為73.4%.此時(shí),抽運(yùn)光得到了充分吸收,輸出光譜成分中沒(méi)有殘余抽運(yùn)光和ASE成分.

圖2 1018 nm光纖激光器輸出特性 (a)光譜特性;(b)功率特性

3 高效率同帶抽運(yùn)實(shí)驗(yàn)

基于同帶抽運(yùn)的高功率、低量子虧損的摻鐿光纖放大器的結(jié)構(gòu)如圖3所示.1018 nm激光和1.9 W的1080 nm種子激光經(jīng)一個(gè)1018 nm/1080 nm的波分復(fù)用器(WDM)注入到增益光纖中.放大器輸出光纖端面研磨成8°斜角以抑制自激振蕩.需要說(shuō)明的是,WDM對(duì)1018 nm的抽運(yùn)光和1080 nm的種子光都有一定的損耗.當(dāng)1018 nm抽運(yùn)光注入功率為21 W時(shí),經(jīng)過(guò)WDM后輸出功率為18.6 W;當(dāng)種子光注入功率為1.9 W時(shí),經(jīng)過(guò)WDM后輸出功率為1.7 W.

圖3 同帶抽運(yùn)放大器結(jié)構(gòu)圖

圖4 同帶抽運(yùn)實(shí)驗(yàn)結(jié)果 (a)最大輸出功率時(shí)的光譜;(b)1080 nm激光輸出功率特性曲線

實(shí)驗(yàn)中,首先開啟1080 nm種子激光,逐步增加1018 nm抽運(yùn)光的功率,并實(shí)際監(jiān)測(cè)輸出激光的光譜.隨著抽運(yùn)功率的增加,1018 nm的激光能被摻雜光纖有效吸收,并將1080 nm信號(hào)光進(jìn)行放大.當(dāng)注入的1018 nm抽運(yùn)光功率為18.6 W時(shí),放大器輸出光譜如圖4(a)所示.殘余1018 nm抽運(yùn)光成分比1080 nm信號(hào)光低15 dB,可以認(rèn)為抽運(yùn)光基本被完全吸收.1080 nm激光輸出功率隨注入的1018 nm抽運(yùn)光的功率變化的曲線如圖4(b)所示.當(dāng)1018 nm激光的最大注入功率為18.6 W時(shí),獲得了18.6 W的1080 nm激光輸出,扣除1.7 W的種子光成分后.計(jì)算可得本文搭建的同帶抽運(yùn)摻鐿光纖放大器轉(zhuǎn)換效率達(dá)到90.86%.

4 結(jié)論

開展了基于同帶抽運(yùn)的高功率、低量子虧損的摻鐿光纖放大器實(shí)驗(yàn)研究.搭建了一臺(tái)輸出功率為21 W的1018 nm短波長(zhǎng)摻鐿光纖激光器,并利用其對(duì)雙包層摻鐿光纖進(jìn)行同帶抽運(yùn),獲得18.6 W的1080 nm波段激光輸出,光-光轉(zhuǎn)換效率高達(dá)90.86%.本文的實(shí)驗(yàn)結(jié)果為百瓦級(jí)以及更高功率摻鐿光纖同帶抽運(yùn)奠定了基礎(chǔ).

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