透鏡組耦合793nm LD抽運摻Tm3+光纖激光器

張 茂，任 鋼，劉文兵，夏惠軍，劉全喜，鐘 鳴

(西南技術物理研究所，成都610041)

引 言

摻Tm3+光纖激光器能輸出2μm左右的激光，工作在人眼安全的波段(大于1.4μm)，且處于大氣窗口內，還存在幾個窄的水吸收峰，在遙感、探測、測距、雷達、空間光通信、醫療、軍事等方面有著廣泛的應用，近年來成為國內外研究的熱點［1－3］。793nm 激光抽運摻Tm3+光纖激光器是獲得高功率2μm激光的有效途徑。2009年，MOULTON等人報道了輸出885W 的多模摻 Tm3+光纖激光器［4］。目前，摻Tm3+光纖激光器的最高輸出功率是Q－Peak公司在2010年Photonics West會議上報道的超過1kW的輸出［5］。2009年，哈爾濱工業大學的ZHANG等人實現了全光纖摻Tm3+連續激光39.4W輸出［6］。本文中采用透鏡組耦合793nm激光二極管(laser diode，LD)抽運摻Tm3+光纖，最終獲得了抽運光耦合系統的耦合效率為84%左右;基于光纖光柵和光纖輸出垂直端面構成諧振腔，摻Tm3+光纖激光器最大輸出激光34W，斜率效率為59%，中心波長2001.2nm，光束質量M2≤1.2。

1 理論分析

1.1 抽運方案

2μm摻 Tm3+光纖激光器的抽運方案有:3H6→3H4，3H6→3H5，3H6→3F4，793nm 抽運光所對應的能級躍遷為3H6→3H4，在較高摻雜濃度時，相鄰粒子間存在交叉弛豫效應(3H4，3H6→3F4，3F4)，如圖1所示，吸收一個793nm抽運光子，可以產生兩個2μm激光光子，理論最高量子效率為200%［7］。

圖2是在不計算交叉弛豫和計算交叉弛豫效應時抽運光沿光纖的分布。交叉弛豫效應對抽運光的吸收有重要的影響，計算交叉弛豫時的最佳光纖長度遠遠短于不計算交叉弛豫時的情況。較短的光纖可以有效減小光纖激光器的非線性效應，因此優化Tm3+濃度，提高Tm3+之間的交叉弛豫過程，可以有效實現摻Tm3+光纖激光器的高功率、高效率運轉。

Fig.1 Cross relaxation process(3H4，3H6→3F4，3F4)of Tm3+－doped fiber laser

Fig.2 The distribution of pump power along fiber

Fig.3 The distribution of pump power and signal power along fiber with 6m of fiber length

793nm抽運光沿光纖長度方向被銩光纖吸收，使Tm3+的3H6與3F4能級之間發生粒子數反轉，然后通過受激發射，產生2μm激光。圖3為光纖長為6m時，光纖中抽運光和產生的激光沿光纖分布。隨著抽運光功率的減小，2μm激光功率逐漸增加，在6m左右時，輸出激光功率達到最大，當繼續增加光纖長度，輸出激光并不隨著增加，甚至減小，這是由于此時的增益小于損耗。影響光纖最佳長度的因素較多，實際工程應用中應根據具體參量，結合實驗研究確定光纖的最佳長度。

1.2 抽運光耦合系統

高功率摻Tm3+光纖激光器關鍵技術之一是抽運光的高效耦合。抽運方式有端面抽運和側面抽運兩種，按抽運光具體耦合方式端面抽運又分為透鏡組耦合、直接熔接耦合和錐導管耦合，其中透鏡組耦合是實驗室常用的耦合方式之一，特點是結構簡單、器件分離、容易實現等［8］。

本文中抽運光耦合系統采用雙平凸透鏡組，具有較小的系統球差，圖4為耦合效率測試示意圖。

Fig.4 Schematic diagram of double lens coupling efficiency measurement

不考慮透鏡厚度和像差時，高斯光束經耦合透鏡組的ABCD變換矩陣M為［9］:

式中，f1，f2分別為平凸透鏡 L1，L2的焦距;透鏡 L1，L2之間的距離為L;l是尾纖輸出端到L1距離，l'為L2到耦合光纖輸入端的距離。設光束束腰w0位于抽運源輸出尾纖端面處，可以由傳輸矩陣M得到經過耦合透鏡組的出射光束束腰半徑w0'和束腰位置l':

要使抽運光通過透鏡組系統后能夠高效地耦合進光纖，需要滿足激光束腰直徑小于摻雜光纖內包層直徑(dlaser＜dclad);而且激光束的發散角也要小于光纖內包層的孔徑角(θlaser＜2arcsindNA，其中，dNA是數值孔徑)，滿足激光在光纖中傳輸的全反射條件。

設定抽運源采用Nlight公司的NL－P4S100－0793型半導體激光器，帶尾纖輸出。耦合透鏡由西格瑪公司提供，型號為 SLB－05－08P 和 SLB－06－10P 的BK7－平凸透鏡。在ZEMAX軟件里采用物理光學方法仿真，優化透鏡間的距離，可以得到該耦合系統的耦合效率為94.8%，圖5是ZEMAX仿真結果。

Fig.5 The simulation results of coupling system using ZEMAX

1.3 熱效應分析

摻Tm3+光纖激光器屬于準二、三能級系統，熱效應會嚴重影響輸出激光功率、斜率效率等。抽運光輸入端熱效應最集中，圖6是取Nufern公司型號為LMA－TDF－25/400的銩光纖，將內包層等效為圓形，抽運光功率為100W時，光纖輸入端橫截面的溫度分布。纖芯溫度最高，與外包層溫度相差幾個開爾文，但是外包層可承受的溫度較低(423K～473K)，長期穩定工作，應低于353K，在較高功率運轉時必須對光纖進行散熱處理［10］。

Fig.6 The temperature distribution of the cross section of fiber

在不同的冷卻條件下，具有不同的換熱系數。圖7是換熱系數h分別為 200W·m－2·K－1，1000W·m－2·K－1，2000W·m－2·K－1和 3000W·m－2·K－1、抽運光功率為100W時，光纖端面的溫度分布。當采用水自然對流冷卻時，換熱系數h取值范圍為200W·m－2·K－1～ 1000W·m－2·K－1［11］，因此能夠滿足對摻Tm3+光纖的有效冷卻。

Fig.7 Radial temperature distribution at input end with different heat transmission coefficient

2 實驗結果與分析

2.1 抽運光耦合系統實驗

實驗中所用抽運源是Nlight公司的NL－P4S100－0793型半導體激光器，輸出抽運光波長為793nm，尾纖直徑400μm，數值孔徑dNA=0.22。選用的耦合透鏡是西格瑪公司的BK7－平凸透鏡，型號為SLB－05－08P 和 SLB－06－10P，焦距分別為 8mm 和 10mm。利用一段22.4cm無源光纖作為測試光纖，其參量與Nufern公司型號為LMA－TDF－25/400的銩光纖基本相同，內包層直徑為400μm。

分別測量透過透鏡組的激光功率Pi、耦合光纖輸出端激光功率Po，可以得到透過透鏡組耦合效率為η=(Po/Pi)×100%。圖8為通過透鏡組耦合輸入與輸出激光功率關系，利用最小二乘法擬合可以得到系統的耦合效率為84%。由于透鏡組耦合實驗對調節裝置精度要求比較高，耦合激光光斑與光纖輸入端之間難以避免地存在橫向、縱向和角度等誤差，因此實驗結果與仿真有一定的差距。如果改進調節裝置的調節精度，可以獲得更高的耦合效率。

Fig.8 Output power varing with the input laser power in the experiment of double lens coupling system

2.2 摻Tm3+光纖激光器實驗

793nm激光抽運摻Tm3+光纖激光器，對應的躍遷能級為3H6→3H4，當摻Tm3+濃度較高時，相鄰粒子間存在交叉弛豫效應，可以獲得較高的量子轉換效率。實驗中所用銩光纖為Nufern公司提供的LMA－TDF－25/400型號的光纖，內包層為八邊形，具體參量如表1所示。

Table 1 Parameters of Tm3+－doped fiber

圖9a為摻Tm3+光纖激光器實驗裝置原理圖，圖9b是實驗系統實物圖。抽運光由透鏡組耦合進入光纖光柵的一端，光纖光柵的另一端與摻Tm3+光纖直接熔接，光纖光柵對793nm抽運光高透，2μm激光高反;摻Tm3+光纖另一端面的菲涅耳反射作為輸出耦合;最后，經濾波器濾除剩余的793nm抽運光，得到2μm左右激光輸出。其中，光纖布喇格光柵(fiber Bragg grating，FBG)由加拿大Teraxion公司提供，纖芯和外包層直徑分別為25μm，400μm，與摻Tm3+光纖尺寸匹配。

實驗的關鍵是要保證抽運光的高效耦合，以及對摻雜光纖的冷卻。采用透鏡組耦合抽運光的方式，采用了分離器件，實驗中對調節精度要求比較高。針對光纖端面熱積累比較多，容易燒毀，實驗過程中應避免光纖端面損傷、污染，以免使光纖的毀傷閾值降低。圖10是分別采用水冷和冰水混合物冷卻摻Tm3+光纖時，輸出激光隨吸收的抽運光功率的變化。當溫度較低時，輸出的功率和斜率效率都獲得了提高。

Fig.9 Experiment setup of Tm3+ －doped fiber lasers of double lens coupling pump laser

Fig.10 Output power varing with the absorbed power with different cooling conditions

Fig.11 Output power of 2μm laser varing with the absorbed power

圖11為輸出的2μm激光功率隨吸收的抽運光的變化關系。得到該摻Tm3+光纖激光器的閾值功率約為8.7W，在入纖抽運光功率為70W時，最高輸出34W、2μm左右激光，同時也存在8W抽運光未被吸收。表明適當增加摻Tm3+光纖長度，抽運光功率吸收更充分，可以獲得更高功率的2μm激光輸出。由圖10可知，相對吸收的抽運光功率，該摻Tm3+光纖激光器斜率效率為59%，整個系統的光光轉換效率為34%。當輸出激光功率達到最大時，效率并沒有下降的趨勢，如果進一步增加抽運光功率，能獲得更高功率的2μm激光輸出。輸出激光的中心波長為2001.2nm，光束質量為M2≤1.2。該摻Tm3+光纖激光器具有進一步優化的空間，摻Tm3+光纖太短，抽運光未能充分吸收;摻Tm3+光纖激光器的熱效應對輸出激光功率影響較大。另外，抽運光耦合系統也是限制輸出功率的重要影響因素。

3 小結

對透鏡組耦合系統和摻Tm3+光纖激光器進行了研究，并對平凸透鏡組耦合抽運光的方式進行了分析，討論了摻Tm3+光纖激光器的交叉弛豫效應以及熱效應。實驗中測得耦合系統透過透鏡組的耦合效率達到84%，最終摻Tm3+光纖激光器系統輸出激光34W，斜率效率為59%，中心波長2001.5nm，光束質量M2≤1.2。實驗研究表明，冷卻溫度較低時，輸出激光功率和斜率效率都有所提高。可以從以下幾個方面提高該摻Tm3+光纖激光器的性能，即適當增加銩光纖長度;改進冷卻系統;提高耦合系統效率。該摻Tm3+光纖激光器輸出功率僅受限于抽運光功率，如果增加抽運光功率，可以輸出更高功率的2μm激光。

［1］ HAN K，MA Y X，WANG X L，et al.Progress of high power tmdoped fiber laser［J］.Laser ＆ Optoelectronics Progress，2010(10):101406(in Chinese).

［2］ WU J F，YAO Z D，ZONG J，et al.Highly efficient high－power thulium－doped germanate glass fiberlaser［J］.Optics Latters，2007，32(6):638－640.

［3］ CHEN L，LU P，ZHANG L，et al.Tm－Ho co－doped all fiber laser at 2μm［J］.Laser Technology，2013，37(2):195－197(in Chinese).

［4］ MOULTON P F，RINES G A，SLOBODTCHIKOV E V，et al.Tmdoped fiber lasers:fundamentals and power scaling［J］.IEEE Journal of Selected Topics in Quantum Electronics，2009，15(1):85－92.

［5］ EHRENREICH T，LEVEILLE R，MAJID I，et al.1kW，all－glass Tm∶fiber laser［J］.SPIE，2010，7580:16.

［6］ ZHANG Y J，SONG Sh F，TIAN Y，et al.LD－clad－pumped all－fiber Tm3+－doped silica fiber laser［J］.Chinese Physics Latters，2009，26(8):084211.

［7］ JACKSON S D，KING T A.Theoretical modeling of Tm－doped silica fiber lasers［J］.Journal of Lightwave Technology，1999，17(5):948－956.

［8］ LI J，CHEN Z L，ZHOU H，et al.Status and development of pumping tehnology for high power fiber lasers［J］.Laser ＆ Optoelectronics Progress，2012(2):020003(in Chinese).

［9］ WANG Ch，SONG D F，FENG X Q，et al.Simulation of double Lens－coupling system using zemax and matlab［J］.Laser Journal ，2013，31(2):17－18(in Chinese).

［10］ LAPOINTE M A，CHATIGNY S，PICHé M，et al.Thermal effects in high power CW fiber lasers［J］.Proceedings of SPIE，2009，7195:7195IU.

［11］ ZHANG M，REN G，JI Q，et al.Analysis on thermal effect in the Tm3+－doped fiber laser［J］.Optical Technique，2012，38(4):465－469(in Chinese).