分布式抽運(yùn)連續(xù)光纖激光器研究

張雪霞， 葛廷武， 丁 星， 譚琦瑞， 堯 舜， 王智勇

(北京工業(yè)大學(xué) 激光工程研究院， 北京 100124)

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分布式抽運(yùn)連續(xù)光纖激光器研究

張雪霞， 葛廷武*， 丁 星， 譚琦瑞， 堯 舜， 王智勇

(北京工業(yè)大學(xué) 激光工程研究院， 北京 100124)

為了避免高功率光纖激光器中光纖端面出現(xiàn)熱效應(yīng)問題，依據(jù)多點(diǎn)級(jí)聯(lián)結(jié)構(gòu)的耦合器，對(duì)分布式抽運(yùn)的光纖激光器進(jìn)行了研究。首先，介紹了實(shí)驗(yàn)室自主研制的級(jí)聯(lián)耦合器。然后，分析了耦合器插入對(duì)光纖激光器的影響。最后，選用自制的耦合器搭建了分布式抽運(yùn)的光纖激光器。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明：對(duì)耦合器插入損耗的研究，能夠促進(jìn)高功率級(jí)聯(lián)耦合器的實(shí)現(xiàn)。在光纖激光器結(jié)構(gòu)中，975 nm泵浦功率注入1.1 kW時(shí)，1 080 nm激光功率輸出為770 W，光-光轉(zhuǎn)換效率為77%。在主控振蕩功率放大結(jié)構(gòu)中，激光功率輸出為635 W，放大級(jí)的光-光轉(zhuǎn)換效率為78%。分布式抽運(yùn)方式可以使泵浦光多點(diǎn)注入，避免了熱量的集中，能夠獲得千瓦級(jí)的激光功率輸出。

光纖激光器； 激光振蕩； 主控振蕩功率放大； 級(jí)聯(lián)耦合器； 高功率

1 引 言

但是，有研究指出，單模寬譜光纖的輸出功率極限約為4. 2 kW[11]。而分布式的結(jié)構(gòu)可以使泵浦光多點(diǎn)注入，能夠解決光纖中熱聚焦的問題[12]。目前，國(guó)內(nèi)外對(duì)多點(diǎn)抽運(yùn)方式進(jìn)行了研究報(bào)道。2003年，麥克馬斯特大學(xué)對(duì)kW級(jí)光纖激光器的泵浦方式進(jìn)行了研究[13]。2003年，上海光機(jī)所理論研究了三點(diǎn)抽運(yùn)光纖激光器的激光分配和功率分布[14]。2007年，北京航空航天大學(xué)對(duì)多點(diǎn)抽運(yùn)的雙包層光纖激光器進(jìn)行了分析和優(yōu)化[15-16]。2014年，重慶師范大學(xué)對(duì)摻Y(jié)b3+雙包層光纖激光器的發(fā)展進(jìn)行了調(diào)研和綜述[17]。2014年，國(guó)防科技大學(xué)對(duì)分布式側(cè)面抽運(yùn)光纖激光器和端面抽運(yùn)光纖激光器進(jìn)行了對(duì)比：在分布式側(cè)面耦合包層抽運(yùn)光纖激光器中，抽運(yùn)光分布均勻，光纖兩端的熱負(fù)荷較小，激光產(chǎn)生的線性度很好，熱量能夠分散到整根光纖[18]。2015年，北京交通大學(xué)采用打靶的方式對(duì)多點(diǎn)抽運(yùn)進(jìn)行了理論模擬和分析[19]。同年，南京郵電大學(xué)對(duì)側(cè)面均勻泵浦方式中光纖激光器的閾值特性進(jìn)行了分析[20]。北京工業(yè)大學(xué)激光工程研究院對(duì)多點(diǎn)抽運(yùn)的耦合器也進(jìn)行了研制[21]。

本文結(jié)合自主研制的級(jí)聯(lián)耦合器，實(shí)驗(yàn)研究了級(jí)聯(lián)耦合器插入對(duì)光纖激光器的影響，搭建了分布式抽運(yùn)的光纖激光器。當(dāng)975 nm泵浦功率注入為1.1 kW時(shí)，1 080 nm激光功率輸出為770 W，光-光轉(zhuǎn)換效率為70%；在主控振蕩功率放大結(jié)構(gòu)中，注入975 nm泵浦光功率為546 W時(shí)，種子光功率由206 W放大到635 W，放大級(jí)的光-光轉(zhuǎn)換效率為78%。激光器能夠在最大功率輸出穩(wěn)定運(yùn)行。

2 耦合器

2.1 耦合器結(jié)構(gòu)

采用氫氧焰拉錐的方式，實(shí)驗(yàn)室自主研制的級(jí)聯(lián)耦合器如圖1所示。耦合器的主光纖的纖芯直徑為20/400 μm，泵浦光纖的纖芯/包層直徑為105/125 μm，數(shù)值孔徑(Numerical aperture，NA)為0.22。

圖1 級(jí)聯(lián)耦合器

2.2 耦合器對(duì)激光器的影響

在級(jí)聯(lián)耦合器中，插入點(diǎn)的引入會(huì)使光纖包層發(fā)生形變，影響光波導(dǎo)結(jié)構(gòu)，導(dǎo)致部分信號(hào)光泄漏到包層中，影響激光器的單模功率輸出。實(shí)驗(yàn)中我們選用不同損耗的耦合器進(jìn)行了研究。

圖2為實(shí)驗(yàn)結(jié)構(gòu)裝置。一對(duì)光柵構(gòu)成激光器諧振腔鏡，光柵刻寫在20/400 μm雙包層無源光纖上，高反射光柵(High reflection fiber Bragg grating, HR FBG)對(duì)1 080 nm波長(zhǎng)激光的反射率為98%，透射光柵(High transmission fiber Bragg grating, HT FBG)對(duì)1 080 nm波長(zhǎng)激光的反射率為10%。抽運(yùn)光源選用3支中心輸出波長(zhǎng)975 nm、輸出尾纖105/125 μm、NA值0.22、最大輸出功率110 W的激光二極管(Laser diode, LD)。增益介質(zhì)為纖芯/包層直徑分別為20/400 μm、NA值分別為0.06/0.46的摻鐿雙包層光纖，該光纖對(duì)975 nm泵浦光的吸收系數(shù)為1.26 dB/m。

圖2 實(shí)驗(yàn)結(jié)構(gòu)裝置

選用不同信號(hào)光泄露的耦合器進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。為了減小熔接誤差，每組數(shù)據(jù)進(jìn)行多次熔接測(cè)試，然后取平均值。在腔內(nèi)沒有加入剝離器時(shí)，激光功率與泵浦功率的變化曲線如圖3所示。當(dāng)975 nm泵浦功率注入為321 W時(shí)，1 080 nm激光功率輸出為264 W，光-光轉(zhuǎn)換效率為82%。

施工單位在進(jìn)行施工之前，還需要再一次進(jìn)行該施工路段的測(cè)量。本次主要針對(duì)導(dǎo)線點(diǎn)、加密點(diǎn)和水準(zhǔn)點(diǎn)進(jìn)行測(cè)量。嚴(yán)格按照標(biāo)準(zhǔn)測(cè)量其是否具有施工的條件，在此過程中可以使用全站儀開展中線測(cè)量法和極坐標(biāo)法。還要對(duì)整個(gè)施工路面是否平整進(jìn)行測(cè)量，且通過安裝自動(dòng)安平水準(zhǔn)儀對(duì)路基的高度進(jìn)行控制。

圖3 輸出功率與泵浦功率的關(guān)系

由于泵浦功率和有源光纖保持不變，所以當(dāng)沒有剝離器時(shí)，激光器的功率輸出可以認(rèn)為是一致的。當(dāng)激光器中加入剝離器后，由于耦合器的插入損耗不一樣，激光模式的分布被改變，導(dǎo)致剝離后的功率輸出存在差異。圖4描述了輸出功率與耦合器損耗的關(guān)系曲線。從圖中可以發(fā)現(xiàn)：當(dāng)耦合器的信號(hào)光泄漏為10 dB時(shí)，激光器功率輸出為231.5 W，光-光轉(zhuǎn)換效率為72%；當(dāng)信號(hào)光泄露大于10 dB時(shí)，輸出功率開始迅速下降；當(dāng)耦合器的信號(hào)光泄露為18.4 dB時(shí)，激光器的功率輸出為172.7 W，光-光轉(zhuǎn)換效率為54%，嚴(yán)重影響了激光器的功率輸出。

圖4 激光器功率輸出隨耦合器插入損耗的變化關(guān)系

3 激光器實(shí)驗(yàn)

在耦合器測(cè)試的基礎(chǔ)上，我們選用兩組級(jí)聯(lián)耦合器進(jìn)行了光纖激光器和放大器的實(shí)驗(yàn)研究。

3.1 激光振蕩器

光纖激光器的具體結(jié)構(gòu)如圖5所示。反射率98%的HR FBG 和反射率10%的HT FBG構(gòu)成諧振腔鏡。10個(gè)輸出功率110 W、波長(zhǎng)975 nm的LD作為泵浦源，通過自主研制的級(jí)聯(lián)耦合器，注入纖芯/包層直徑為20/400 μm、NA值為0.06/0.46的摻Y(jié)b光纖，光纖長(zhǎng)度為20 m。實(shí)驗(yàn)中級(jí)聯(lián)耦合器的泵浦效率分別為96%和93%，對(duì)信號(hào)光的泄露分別是0.13 dB和0.22 dB。

圖5 雙向抽運(yùn)光纖激光振蕩器結(jié)構(gòu)示意圖

975 nm泵浦功率注入為1.1 kW時(shí)，1 080 nm激光功率輸出為906 W。在輸出端附件加入剝離器后，1 080 nm 近單模激光功率輸出為770 W，激光器的光-光轉(zhuǎn)換效率為71%。耦合器是級(jí)聯(lián)結(jié)構(gòu)，雖然對(duì)信號(hào)光的泄露比較小，但是存在泵浦傳輸損耗，影響泵浦光的有效吸收。泵浦光傳輸損耗限制了級(jí)聯(lián)耦合器的實(shí)現(xiàn)，目前我們采用氫氧焰拉錐的方式，可以成功實(shí)現(xiàn)5個(gè)級(jí)聯(lián)。

從圖6的功率輸出曲線中可以發(fā)現(xiàn)：功率輸出具有良好的線性關(guān)系，光纖中沒有出現(xiàn)熱損傷現(xiàn)象，若增加泵浦功率會(huì)得到更高功率的激光輸出。

圖6 激光功率輸出與抽運(yùn)光功率的關(guān)系

Fig.6 Output powervs. pumping power of the fiber laser

3.2 MOPA 結(jié)構(gòu)

選用同樣的級(jí)聯(lián)耦合器，搭建了MOPA結(jié)構(gòu)。振蕩級(jí)選用前向泵浦的方式，反射率98%的HR FBG和反射率10%的HT FBG構(gòu)成諧振腔鏡。5個(gè)輸出功率為110 W、波長(zhǎng)為975 nm的LD作為泵浦源，通過級(jí)聯(lián)耦合器注入長(zhǎng)度為20 m、纖芯/包層直徑為20/400 μm、NA值為0.06/0.46的摻Y(jié)b光纖。種子光經(jīng)過級(jí)聯(lián)耦合器b和20 m摻鐿光纖進(jìn)行功率放大。結(jié)構(gòu)裝置如圖7所示。

圖7 光纖激光放大器的結(jié)構(gòu)

當(dāng)種子光功率為206 W、放大級(jí)LD注入功率為546 W時(shí)，種子功率放大到635 W，放大級(jí)的光-光轉(zhuǎn)換效率為78%，如圖8所示。在實(shí)驗(yàn)過程中，激光器一直處于穩(wěn)定的工作狀態(tài)。

圖8 MOPA激光功率輸出與抽運(yùn)光功率的關(guān)系

Fig.8 Output powervs. pumping power of the MOPA

4 實(shí)驗(yàn)結(jié)果及分析

兩種結(jié)構(gòu)的激光器實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，級(jí)聯(lián)耦合器可以實(shí)現(xiàn)泵浦功率的擴(kuò)展，解決激光器中熱量集中的問題。目前，本實(shí)驗(yàn)室可以成功研制單點(diǎn)單個(gè)、5個(gè)耦合器的級(jí)聯(lián)，級(jí)聯(lián)耦合器的泵浦效率在95%以上，對(duì)信號(hào)光的泄露低于0.3 dB。在光纖激光器中，當(dāng)975 nm泵浦功率注入為1.1 kW時(shí)，1 080 nm近單模激光功率輸出為770 W，光-光轉(zhuǎn)換效率為70%。在主控功率放大結(jié)構(gòu)中，1 080 nm最高功率輸出為635 W，放大級(jí)的光-光轉(zhuǎn)換效率為78%。激光器在最高功率運(yùn)行時(shí)，沒有出現(xiàn)熱損傷現(xiàn)象，功率輸出呈線性增加。本研究為實(shí)現(xiàn)單點(diǎn)多個(gè)耦合器級(jí)聯(lián)提供了實(shí)驗(yàn)基礎(chǔ)。

5 結(jié) 論

根據(jù)目前高功率光纖激光器的熱效應(yīng)問題，提出了分布式抽運(yùn)的光纖激光器結(jié)構(gòu)，研究了耦合器插入損耗對(duì)光纖激光器的影響，搭建了分布式抽運(yùn)的光纖激光器和放大器。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明：通過降低級(jí)聯(lián)耦合器泵浦傳輸損耗與信號(hào)插損，可以實(shí)現(xiàn)單點(diǎn)級(jí)聯(lián)、多點(diǎn)級(jí)聯(lián)的耦合器，獲得千瓦、萬瓦級(jí)的光纖激光器。

[1] TU J F, RILEY P E B. Low-temperature evaporative glass scoring using a single-mode ytterbium fiber laser [J].Opt.LasersEng., 2013, 51(6):696-706.

[2] BECKER F, BRETTSCHNEIDER C, KALLAGE P,etal.. Fiber lasers-a universal tool for industrial production [J].LaserTechn.J., 2014, 11(1):34-38.

[3] LUDEWIGT K, RIESBECK T, GRAF A,etal.. 50 kW laser weapon demonstrator of Rheinmetall Waffe munition [J].SPIE, 2013, 8898: 88980N-1-7.

[4] 李康，趙偉，王屹山，等. 改進(jìn)的F-P腔大功率摻Y(jié)b3+雙包層光纖激光器 [J]. 光電子·激光, 2006, 17(3):302-305. LI K, ZHAO W, WANG Y S,etal.. High power Yb3+-doped double-clad fiber laser with improved F-B cavity [J].J.Optoelectron.Laser, 2006, 17(3):302-305. (in Chinese)

[5] 史偉,房強(qiáng),許陽,等. 1.63 kW單纖單振單模連續(xù)全光纖激光器 [J]. 光電子·激光, 2015, 26(4):662-666. SHI W, FANG Q, XU Y,etal.. 1.63 kW monolithic continuous-wave single-mode fiber laser oscillator [J].J.Optoelectron.Laser, 2015, 26(4):662-666. (in Chinese)

[6] 李騰龍,孫殷宏,馬毅,等. kW級(jí)全光纖激光器理論與實(shí)驗(yàn)研究 [J]. 強(qiáng)激光與粒子束, 2014, 26(8):081001-1-5. LI T L, SUN Y H, MA Y,etal.. Theoretical and experimental study on kW all fiber laser [J].HighPowerLaserPart.Beams, 2014, 26(8):081001-1-5. (in Chinese)

[7] 黃龍,馬騰飛,陶汝茂,等. 1.5 kW全光纖線偏振激光器 [J]. 強(qiáng)激光與粒子束, 2015, 27(1):010101-1-3. HUANG L, MA T F, TAO R M,etal.. 1.5 kW all-fiber linearly polarized laser [J].HighPowerLaserPart.Beams, 2015, 27(1):010101-1-3. (in Chinese)

[8] WANG W L, HUANG L J, LENG J Y,etal.. 2 kW CW near single mode all-fiber Ytterbium-doped fiber laser [J].Optik, 2015, 126(18):1712-1715.

[9] 劉嬌,王君濤,周唐建,等. 高功率平面波導(dǎo)激光器研究進(jìn)展及分析 [J]. 強(qiáng)激光與粒子束, 2015, 27(6):061015-1-7. LIU J, WANG J T, ZHOU T J,etal.. Analysis and developments of high-power planar waveguide lasers [J].HighPowerLaserPart.Beams, 2015, 27(6):061015-1-7. (in Chinese)

[10] 機(jī)械加工網(wǎng). 國(guó)家工信部科技重大專項(xiàng)“4 kW全光纖激光器”通過項(xiàng)目驗(yàn)收[EB/OL]. [2015-11-18].http://www.laserfair.com/news/201511/18/58155.html. Mechanical Processing Network. The National Science and Technology Major Project of the Ministry of Science and Technology of China “4kW all fiber laser” has passed the project check [EB/OL]. [2015-11-18].http://www.laserfair.com/news/201511/18/58155.html. (in Chinese)

[11] 朱家健,杜文博,周樸,等. 單模光纖激光極限功率的數(shù)值研究 [J]. 物理學(xué)報(bào), 2012, 61(6):064209-1-7. ZHU J J, DU W B, ZHOU P,etal.. Numerical study on power limit of single-mode fiber lasers [J].ActaPhys.Sinica, 2012, 61(6):064209-1-7. (in Chinese)

[12] 趙保銀,段開椋,趙衛(wèi),等. 基于一種新型抽運(yùn)耦合技術(shù)的光纖激光放大器 [J]. 中國(guó)激光, 2011, 38(7):0702014-1-6. ZHAO B Y, DUAN K L, ZHAO W,etal.. High-power fiber laser amplifiers based on a new pump-coupling technology [J].Chin.J.Lasers, 2011, 38(7):0702014-1-6. (in Chinese)

[13] WANG Y, XU CH Q, PO H. Pump arrangement for kilowatt fiber lasers [C].ProceedingsofThe16thAnnualMeetingofTheIEEELasersandElectro-OpticsSociety,Tucson,USA, 2003, 1:71-72.

[14] 張春偉,向世清,王常安. 空間多點(diǎn)抽運(yùn)雙包層光纖激光器的數(shù)值分析: 典型三點(diǎn)抽運(yùn)情形 [J]. 光學(xué)學(xué)報(bào), 2003, 23(2):249-254. ZHANG C W, XIANG S Q, WANG C A. Numerical analysis on spatial three-position-pumped Yb-doped double-cladding fiber laser [J].ActaOpt.Sinica, 2003, 23(2):249-254. (in Chinese)

[15] 歐攀, 張春熹,閆平,等. 多點(diǎn)抽運(yùn)的雙包層光纖激光器數(shù)值分析研究[J]. 激光技術(shù), 2007, 31(2):150-152. OU P, ZHANG C X, YAN P,etal.. Numerical analysis for multi-position-pumped double-clad fiber lasers[J].LaserTechnol., 2007, 31(2):150-152. (in Chinese)

[16] 歐攀,閆平,鞏馬理,等. 三點(diǎn)抽運(yùn)的高功率雙包層光纖激光器優(yōu)化設(shè)計(jì) [J]. 激光技術(shù), 2007, 31(1):57-60. OU P, YAN P, GONG M L,etal.. Optimum design of three-position-pumped high-power double-clad fiber lasers [J].LaserTechnol., 2007, 31(1):57-60. (in Chinese)

[17] 方剛,徐向濤,全恩臣,等. 摻Y(jié)b3+雙包層光纖激光器的研究進(jìn)展 [J]. 激光技術(shù), 2014, 38(2):278-282. FANG G, XU X T, QUAN E C,etal.. Research progress of Yb-doped double-clad fiber lasers [J].LaserTechnol., 2014, 38(2):278-282. (in Chinese)

[18] 黃值河,曹澗秋,郭少鋒,等. 分布式側(cè)面耦合包層抽運(yùn)光纖激光器數(shù)值模擬 [J]. 激光與光電子學(xué)進(jìn)展, 2014, 51(4):040605-1-5. HUANG Z H, CAO J Q, GUO S F,etal.. Simulation of the distributed side-coupled cladding-pumped fiber lasers [J].LaserOptoelectron.Prog., 2014, 51(4):040605-1-5. (in Chinese)

[19] HU X D, NING T G, PEI L,etal.. Shooting method with excellent initial guess functions for multipoint pumping Yb3+-doped fiber lasers [J].Opt.Commun., 2015, 336:286-294.

[20] SHEN X, ZOU H, TANG H T,etal.. Threshold characteristics analysis of a uniformly side-pumped Yb3+-doped gain-guided and index-antiguided fiber laser [J].Opt.LaserTechnol., 2015, 68:1-5.

[21] 譚祺瑞,葛廷武,王智勇. 熔融側(cè)面泵浦耦合器光纖夾角對(duì)耦合效率的影響 [J]. 應(yīng)用光學(xué), 2014, 35(6):1104-1108. TAN Q R, GE T W, WANG Z Y. Influence of fused side-pump coupler fiber angle on coupling efficiency [J].J.Appl.Opt., 2014, 35(6):1104-1108. (in Chinese)

張雪霞(1984-)，女，山東冠縣人，博士研究生，2011年于北京工業(yè)大學(xué)獲得碩士學(xué)位，主要從事高功率光纖激光器和光纖器件等方面的研究。

E-mail: zhangxuexia13@emails.bjut.edu.cn

葛廷武(1978-)，男，北京人，博士，助理研究員，2009年于北京郵電大學(xué)獲得博士學(xué)位，主要從事光纖激光器、光纖光學(xué)以及非線性光纖光學(xué)等方面的研究。

E-mail: getingwu@bjut.edu.cn

Study of Continuous Fiber Laser with Distributed Pump Structure

ZHANG Xue-xia, GE Ting-wu*, DING Xing, TAN Qi-rui, YAO Shun, WANG Zhi-yong

(InstituteofLaserEngineering,BeijingUniversityofTechnology,Beijing100124,China)*CorrespondingAuthor,E-mail:getingwu@bjut.edu.cn

In order to avoid the thermal effect of fiber-end in high power fiber laser, the fiber laser based on the multi-point cascaded was studied. First, the self-developed cascaded couplers were introduced. Then, the effect of the couplers insertion on the fiber laser was analyzed. Finally, the fiber laser and the master oscillator amplifier with the pumping distributed structure were built. Experimental results indicate that the research on the insertion loss of the coupler can promote the development of high power cascaded coupler. In the distributed fiber laser, the output power of 1 080 nm is 770 W with the pump power of 1.1 kW, and the optical to optical conversion efficiency is 77%. The output power of maser oscillator power amplifier structure is 635 W with the optical conversion efficiency is 78%. It can satisfy that the distributed pumping can solve the heat concentration in fiber laser, can achieve the kilowatt fiber lasers.

fiber laser; laser oscillation; MOPA; cascaded couplers; high power

1000-7032(2016)09-1071-05

2016-04-20；

2016-06-12

國(guó)家科學(xué)重大專項(xiàng)——工業(yè)用高功率全光纖激光器的開發(fā)(2010ZX04013-052)資助項(xiàng)目

TN245； TN248

A

10.3788/fgxb20163709.1071