國產光纖實現同帶抽運3000W激光輸出?

王澤暉 肖起榕 王雪嬌 衣永青 龐璐 潘蓉 黃昱升田佳丁 李丹 閆平 鞏馬理

1)(清華大學精密儀器系,北京 100084)

2)(中國電子科技集團公司第四十六研究所,天津 300220)

1 引 言

摻鐿光纖激光器(ytterbium-doped fi ber lasers,YDFLs)因其轉換效率高、亮度高、光束質量好而在工業、科研等領域應用廣泛.以激光二極管(LD)作為抽運源,雙包層摻鐿光纖作為增益介質,采用主控振蕩器功率放大器(master oscillator power ampli fi er,MOPA)結構的光纖激光器,已經可以實現千瓦量級的激光輸出[1?5],最高可以實現大于4 kW的近衍射極限輸出[6].與傳統的LD抽運源相比,YDFL可以實現更高亮度的抽運功率注入,可以進一步提升光纖激光器抽運效率與輸出功率.同時,使用1000—1030 nm的YDFL作為抽運源,更加接近輸出波長,可以有效地減少量子虧損,降低光纖中的熱功率,實現更好的熱管理與控制[7?12].因此,使用YDFL作為抽運源,采用同帶抽運的方式可以實現更高功率的激光輸出,成為目前高功率光纖激光器的主要發展方向之一.需要指出的是,增益光纖在1018 nm附近的吸收系數遠小于976 nm的吸收系數,為充分吸收抽運光,通常需要較長的增益光纖.增益光纖長度增長,可引起受激拉曼散射等非線性現象[13],為此對激光器的設計提出了更高要求.

2009年,IPG公司基于同帶抽運的方式,實現了單纖輸出10 kW[14],隨后,IPG公司又于2012年實現了單纖17 kW的激光輸出[15].2015年,國防科技大學Xiao等[16]采用同帶抽運的方式,利用制備的6臺476 W@1018 nm的光纖激光器作為抽運源,成功實現了2140 W的激光輸出,輸出波長為1090 nm,斜效率為86.9%,光束質量為M2約為1.9.2016年,西安光學精密機械研究所Yang等[17]以同帶抽運的方式將16.5 W的種子光(@1080 nm)放大至185 W,光-光效率為85%.2017年,國防科技大學Zhou等[18]報道了基于24路1018 nm的YDFL抽運源,實現總功率3.5 kW的激光輸出,斜效率為87.5%,其輸出光譜可以看到一階受激拉曼光.在使用國產光纖方面,2015年王巖山等[19]基于15/130μm國產光纖,制備1018 nm同帶抽運源,激光輸出功率大于150 W.迄今為止,未見基于國產光纖的同帶抽運光纖激光放大的報道.

本文采用中國電子科技集團公司第四十六研究所(以下簡稱中國電科46所)制備的25/250μm雙包層摻鐿光纖作為MOPA結構放大級的增益光纖,實現了基于同帶抽運,超過3 kW的激光功率輸出.

2 實驗裝置

實驗裝置采用MOPA結構,全光纖化設計,如圖1所示.種子源是輸出波長為1080 nm的光纖振蕩器,尾纖尺寸為20/400μm.種子源后接包層光泄漏器(cladding light stripper,CLS),泄漏器光纖尺寸為20/400μm,與增益光纖相同.濾去殘余包層光后,纖芯中的種子光經(2+1)×1合束器的信號臂注入放大級.(2+1)×1合束器的信號臂為雙包層光纖,其纖芯與內包層直徑為20/130μm,抽運臂為多模光纖,其纖芯與包層直徑為105/125μm,輸出纖為雙包層光纖,其纖芯與內包層直徑為25/250μm.種子源增益光纖的內包層直徑大于合束器信號臂光纖的內包層直徑,需用氫氟酸(HF)腐蝕增益光纖,使二者內包層尺寸相同,再進行熔接.由于在合束器前加入了包層光泄漏器,同時焊點兩端光纖纖芯尺寸相同,因此對增益光纖包層進行腐蝕不會造成腐蝕區、焊點的局部過熱現象.

圖1 同帶抽運光纖激光器原理圖Fig.1.Schematic diagram of the tandem pump fi ber laser.

放大級如圖1所示,抽運源為14臺輸出功率約為260 W的1018 nm YDFL,將其分為兩組,每組中的7臺激光器由7×1功率耦合器合束后(如圖1中紅框所示),經100/120/360μm的多模光纖(數值孔徑NA=0.2)輸出,總輸出功率約為1800 W.抽運源輸出尾纖直接與合束器抽運臂進行熔接.放大級中的增益光纖采用中國電科46所制備的八邊形摻鐿光纖,其纖芯直徑為25μm,數值孔徑為0.068,內包層直徑為250μm,數值孔徑為0.472,光纖在1018 nm處的吸收系數為0.41 dB/m.增益光纖前端與合束器的輸出纖(25/250μm)熔接,尾端與QBH輸出頭熔接,經1018 nm/1080 nm二色鏡反射后輸出,實驗中的二色鏡對1080 nm波段的光高反,對1018 nm波段的光高透.引入QBH可有效避免反回光對種子源、抽運源的損傷與破壞,二色鏡可以濾除殘余抽運光.

3 數值分析

考慮增益光纖過長極易引起受激拉曼散射,需要對增益光纖進行優化設計,建立如下所示的速率方程組[20,21]:

式中,角標p,s,r分別代表抽運光、信號光和一階拉曼光,+,?分別代表前向與后向的光信號;Γ為填充因子;σa為吸收截面;σe為發射截面;h為普朗克常數;c為光速;λ為波長;τ為Yb粒子上能級的壽命;Ac為纖芯面積;Aeff為等效纖芯面積;N為粒子數密度;gr為拉曼增益系數,其值為0.5×10?13;α為背景損耗,抽運光、信號光、拉曼光損耗分別為4.04,14.3,20 dB/km;N2(z)表示光纖上能級粒子數密度;Δf為一階拉曼散射光波長處的自發輻射譜寬,其值為0.25 THz;Pspon表示為光纖中沿一個方向上單個偏振態的自發拉曼噪聲,表達式為[22]

KB為玻爾茲曼常數,ν為頻率,T為溫度,取300 K.

圖2顯示了當抽運功率為3500 W時,放大器中抽運光、信號光、拉曼光的功率分布情況.將圖2分為三個部分,第一部分為光纖小于40 m,信號光功率隨光纖長度增長而升高;第二部分為光纖長度介于40—60 m之間,信號光功率趨于飽和,功率增長較慢,此時尚未達到拉曼閾值;第三部分為光纖長度大于60 m,光功率達到拉曼閾值,信號光功率將不再增加,能量轉移到一階拉曼光上.為避免產生非線性效應,同時有效的利用增益,減小信號光損耗,將增益光纖長度優化至40 m,此時無受激拉曼散射現象,仿真輸出光功率為3.13 kW.

圖2 激光放大器中抽運光、信號光、拉曼光功率分布圖Fig.2.Calculated power distribution of pump,signal and Raman laser along the fi ber.

4 實驗結果與分析

實驗中使用的增益光纖是中國電科46所采用化學氣相沉積(modi fi ed chemical vapor deposition,MCVD)結合氣相-液相復合摻雜工藝制備的針對1018 nm高吸收的雙包層摻鐿光纖.其光纖的制備過程為:1)在較高溫度下(1800—2100°C)于反應管內壁沉積若干層(5—10層)阻擋層,阻擋層主要成分為SiO2,目的是阻止水分與雜質擴散到芯層,阻擋層與石英管共同作為預制棒的包層;2)在較低溫度下(1200—1500°C)沉積疏松層,疏松層的主要成分為SiO2,Al2O3,P2O5;3)將含有Yb3+離子的溶液注入反應管中浸泡疏松層,待Yb3+離子充分擴散到疏松層的空隙當中后,將剩余溶液取出,并對疏松層進行脫水處理;4)在高溫下將疏松層玻璃化;5)重復步驟2)—4)若干次;6)在高溫下將中空反應管縮成實心預制棒;7)對摻雜預制棒進行套管、磨八角形等加工處理;8)利用光纖拉絲塔將八角形預制棒拉制成光纖并進行涂覆.

同時,中國電科46所對上述工藝進行了技術改進和創新,包括:1)在沉積疏松層時,通過優化沉積溫度、熱源移動速度、原料流量等參數,有效解決了光纖預制棒疏松芯層中微孔大小尺寸差距大、分布不均勻的技術難題;2)采用氣相-液相共摻技術,保證了[AlO]四面體在基質中的分布均勻性,相比于[SiO],[AlO]擁有負電價,要吸附陽離子以保持電中性,間接提高了Yb3+離子的分布均勻性;3)結合多層疏松芯層沉積技術,進一步提高了Yb3+離子的摻雜均勻性,并有效解決了高濃度摻Yb3+離子時出現的析晶問題;4)通過調節雙包層摻鐿光纖纖芯中共摻劑鋁、磷元素的摻雜比例,增加了Yb3+離子周圍環境的非對稱性,拓寬了光纖中Yb3+離子的吸收截面;5)在預制棒加工時,改善了預制棒夾持方式,并優化了進給速度、磨片旋轉速度等參數,有效提高了光纖預制棒八角形的加工精度,并有效降低了預制棒表面微缺陷的數量.

放大級中的增益光纖長度優化為40 m,增益光纖對1018 nm抽運光的總吸收為16 dB,抽運光基本吸收完成.放大級輸出功率如圖3所示,輸出激光功率隨著抽運光功率的提高而線性增強,最高的輸出功率為3079 W,此時抽運輸入功率為3511 W,斜效率為85.9%.圖4為在最高輸出功率下的光譜圖,輸出激光的中心波長為1080.2 nm,3 dB帶寬為1.4 nm.從光譜上可以看到,在1130 nm附近沒有受激拉曼散射現象發生,激光功率未達到受激拉曼散射閾值,與仿真結果一致.實驗中種子光的功率為67.8 W,輸出光譜如圖4中內嵌圖所示,3 dB帶寬為0.9 nm.實驗中使用PRIMES生產的激光光束質量分析儀來測量輸出激光的M2因子.當抽運功率為600 W時,M2約為2.14,測量結果如圖5所示.

圖3 光纖輸出功率隨抽運功率的變化Fig.3.Curve of output power versus pump power.

圖4 輸出激光光譜(內嵌圖為種子光光譜)Fig.4.Spectrum of output laser(seed spectrum inset).

圖6所示為中國電科46所制備的25/250μm雙包層光纖在顯微鏡下觀測的橫截面,其八邊形形狀比較規則,對邊間距誤差小于1μm,纖芯內包層同心度誤差小于1.5μm.圖7為放大器主焊點的顯微鏡圖像,無明顯軸向偏差.與文獻[23]進行對比并結合上述的實驗驗證,說明國產光纖的制作技術日趨成熟,已經具備承受高功率輸出的能力.

圖5 光束測量結果Fig.5.Beam quality measurement results.

圖6 國產增益光纖截面圖Fig.6.Cross section of the domestic gain fi ber.

圖7 國產增益光纖主焊點顯微鏡像Fig.7.Microscopic image of the splicing joint of the domestic gain fi ber(for both x and y direction).

與直接抽運相比,同帶抽運具有量子虧損較小、易于熱管理的優勢[24].下面基于速率方程與熱傳導方程[25?28],分別就976 nm直接抽運與1018 nm同帶抽運對光纖內熱功率密度分布進行理論計算,其中熱功率密度Q定義為纖芯中單位體積內產生的熱功率,即

其中,Ac為纖芯面積,PQ(z)為產熱功率分布函數.設η為量子效率,則在dz長度內產熱功率可以表示為

仿真結果如圖8所示,抽運方式為前向抽運3500 W,增益光纖均為25/250μm摻Yb光纖,增益光纖在1018 nm處的吸收系數為0.41 dB/m,在976 nm處的吸收系數為4.8 dB/m.與直接抽運相比,同帶抽運中熱功率密度要小接近兩個數量級,同時,熱功率的分布更加均勻,利于系統的熱管理,但付出的代價是需要更長的光纖.綜上,因在熱管理上優勢明顯,同帶抽運將會是實現更高功率激光輸出的有效技術途徑.

圖8 直接抽運與同帶抽運熱功率密度分布Fig.8.Calculated heat power density distribution of direct and tandem pump along the fi ber.

5 總 結

同帶抽運是實現高功率光纖激光器的有效途徑,也是目前研究的一大熱點.本文基于同帶抽運方式,放大級增益光纖采用中國電子科技集團公司第四十六研究所制備的25/250μm摻鐿光纖,當種子光功率為67.8 W、抽運總功率為3511 W時,獲得了超過3 kW的激光輸出,斜效率為85.9%,M2約為2.14,中心波長為1080.2 nm,3 dB帶寬為1.4 nm.同時,對同帶抽運激光放大器進行了理論數值分析,數值分析結果與實驗結果相近.此外,從產熱的角度,對同帶抽運以及直接抽運進行了分析比較,說明了同帶抽運方式在熱管理上的巨大優勢.進一步提高抽運功率,同時優化增益光纖長度,改良散熱方式,國產光纖有望實現更高功率的激光輸出.

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