用于光纖激光器光譜組束的外腔反饋研究

劉小溪，王學(xué)鋒,2*，闞寶璽,2，王軍龍,2，朱占達(dá)，鄭 也

(1.北京航天控制儀器研究所，北京 100094;2.北京市光纖傳感系統(tǒng)工程技術(shù)研究中心，北京 100094)

引 言

光纖激光器具有轉(zhuǎn)換效率高、光束質(zhì)量好、熱管理簡(jiǎn)單、使用靈活、結(jié)構(gòu)穩(wěn)定等一系列優(yōu)點(diǎn)，已成為高功率全固態(tài)激光器技術(shù)研究熱點(diǎn)[1-3]。但由于非線性效應(yīng)，光纖損傷、抽運(yùn)耦合、模場(chǎng)直徑等因素的制約，單纖單模光纖激光器輸出功率受限[4-5]。若要獲得更高功率水平，則需要采用多路光束組束方式實(shí)現(xiàn)[6-8]。目前發(fā)展較快的主要有相干組束和光譜組束(spectral beam combining，SBC)。相干組束容易受到外界環(huán)境干擾，且對(duì)光束的相位穩(wěn)定度和控制精度要求較高；光譜組束無(wú)需相位控制，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，對(duì)光束穩(wěn)定性和控制要求較低，同時(shí)又能實(shí)現(xiàn)較高的光束質(zhì)量，是光纖激光器實(shí)現(xiàn)高功率、高光束質(zhì)量激光輸出的較好方案[9]。

自1999年以來(lái)，麻省理工大學(xué)、美國(guó)空軍實(shí)驗(yàn)室、德國(guó)夫瑯和費(fèi)研究所、洛克希德·馬丁公司及中國(guó)工程物理研究院應(yīng)用電子學(xué)研究所、中國(guó)科學(xué)院上海光學(xué)精密機(jī)械研究所等單位先后對(duì)光譜組束技術(shù)進(jìn)行了研究[10-19]。其中，美國(guó)洛馬公司通過(guò)內(nèi)腔光譜組束，獲得了輸出功率大于30kW的激光輸出[16]，中國(guó)科學(xué)院上海光學(xué)精密機(jī)械研究所通過(guò)對(duì)8路全光纖超熒光光源的組束，實(shí)現(xiàn)了10.8kW的組束輸出[19]。

根據(jù)組束元件(光柵)所處的位置，光纖激光光譜組束可分為光柵在諧振腔之外的內(nèi)腔型光譜組束與光柵在諧振腔之內(nèi)的外腔型光譜組束。內(nèi)腔型光譜組束中，各子束激光器相互獨(dú)立，便于調(diào)試。由于組束輸出光束質(zhì)量隨子束激光線寬增加而降低，因而內(nèi)腔型光譜組束對(duì)子束激光線寬要求較為嚴(yán)格。采用雙光柵補(bǔ)償?shù)姆椒梢詫?duì)光束質(zhì)量的退化進(jìn)行補(bǔ)償，但其光束質(zhì)量下降的趨勢(shì)不可避免[20]，并且雙光柵補(bǔ)償法對(duì)光柵位置的調(diào)節(jié)精度要求較高。外腔型光譜組束系統(tǒng)中，光路中存在反饋結(jié)構(gòu)，光柵和部分反射平面鏡對(duì)波長(zhǎng)具有選擇作用，不滿足反饋條件的光束無(wú)法形成振蕩，子束激光波長(zhǎng)自適應(yīng)，對(duì)激光光源線寬要求較低。

針對(duì)光纖激光器外腔光譜組束系統(tǒng)中，發(fā)光單元反饋量不足、偏離主光軸的發(fā)光單元存在像差、組束結(jié)構(gòu)限制子束激光數(shù)量、多子束激光組束要求較大口徑傳輸透鏡等問(wèn)題，改進(jìn)外腔反饋方案，提出將組束系統(tǒng)中單個(gè)傳輸透鏡準(zhǔn)直和聚焦功能分離的措施，子束激光分別由對(duì)應(yīng)的準(zhǔn)直透鏡準(zhǔn)直。對(duì)光纖激光器外腔光譜組束過(guò)程中，激光線寬、光纖芯徑對(duì)輸出光束質(zhì)量的影響進(jìn)行了理論計(jì)算及模擬仿真，搭建了光纖激光器外腔反饋系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了激光波長(zhǎng)的鎖定。光光轉(zhuǎn)換效率為91.5%，反饋輸出線寬為0.16nm，輸出功率為29.7W,組束方向(衍射方向)M2=1.241，非組束方向M2=1.171。

1 外腔組束原理

外腔反饋光譜組束結(jié)構(gòu)如圖1所示[13]。諧振腔由增益光纖左端的高反鏡(high reflector,HR)和系統(tǒng)右端的部分反射平面鏡構(gòu)成，部分反射平面鏡輸出組束激光。光纖輸出端面位于透鏡焦平面上，各光束經(jīng)透鏡后為準(zhǔn)直光束，確保光束能夠原路返回，實(shí)現(xiàn)波長(zhǎng)鎖定。光柵在透鏡的焦平面上，光束經(jīng)透鏡后在光柵上重合，經(jīng)光柵衍射后，各個(gè)激光器鎖定在不同的波長(zhǎng)，由于光柵的色散作用，使各個(gè)光束沿相同的方向出射，實(shí)現(xiàn)組束。

Fig.1 Schematic layout of external cavity SBC

該組束系統(tǒng)中的傳輸透鏡，同時(shí)具有聚焦和準(zhǔn)直的功能。為同時(shí)實(shí)現(xiàn)這兩個(gè)功能，傳輸透鏡與光纖輸出端面之間、傳輸透鏡與光柵之間的距離有嚴(yán)格的限制，光纖輸出端面和衍射光柵要分別放在傳輸透鏡的前后兩個(gè)焦面上。在該組束系統(tǒng)中: (1)偏離主光軸的發(fā)光單元會(huì)產(chǎn)生像差，導(dǎo)致組束后整體光束質(zhì)量下降；(2)光纖輸出端需要放置在透鏡焦面上，這就限制了參與組束的子束激光數(shù)量；(3)基于該結(jié)構(gòu)的光譜組束系統(tǒng)光程較長(zhǎng)，整體結(jié)構(gòu)較大，在反饋過(guò)程中存在發(fā)光單元反饋量不足的問(wèn)題；(4)增加組束光束數(shù)量需要采用更大口徑的傳輸透鏡，較大口徑透鏡加工較為困難，成本較高。

本文中對(duì)原組束系統(tǒng)進(jìn)行了優(yōu)化，如圖2所示。圖中,LD為激光二極器(laser diode),HR-FBG為高反鏡光纖布喇格光柵(high reflector fiber Bragg grating),YDF為摻鏡光纖(Yb-doped fiber)。子束激光分別由對(duì)應(yīng)的準(zhǔn)直透鏡準(zhǔn)直，經(jīng)透射光柵衍射及部分反射平面鏡鎖定波長(zhǎng)。該方案中: (1)通過(guò)空間位置的擺放實(shí)現(xiàn)在光柵上的聚焦，可避免由像差引起的旁軸光束組束效率下降[13]；(2)消除子束激光輸出端統(tǒng)一放置在單一傳輸透鏡焦點(diǎn)附近的限制，空間布局較為自由，可容納多更多路光束參與組束，進(jìn)一步提高組束輸出功率；(3)透鏡光柵無(wú)需放置在傳輸透鏡焦平面處，可以避免子束激光反饋量不足的問(wèn)題；(4)多路光束組束無(wú)需大口徑透鏡，工程難度較低。

Fig.2 Schematic layout of external cavity SBC after improvement

2 計(jì)算與仿真

2.1 線寬、光纖芯徑對(duì)光束質(zhì)量影響

由光柵方程：mλ=d(sini+sinθ)

(1)

可得：

Δλ=dcosθΔθ

(2)

式中,m為衍射級(jí)次，λ為入射激光波長(zhǎng)，d為光柵刻線寬度，i為入射角，θ為衍射角。對(duì)于滿足Littrow條件的光束，入射角等于衍射角。在光譜組束系統(tǒng)中，激光線寬可用Δλ表示。當(dāng)僅考慮色散造成的影響時(shí)，光束經(jīng)過(guò)光柵后的發(fā)射角為：β=α+Δθλ

(3)

式中，α為入射光束的發(fā)散角，Δθλ表示因光束具有一定線寬，經(jīng)光柵色散時(shí)衍射角增大的角度。在圖1、圖2所示的光譜組束系統(tǒng)中，Δθλ=Δθ。

在光纖激光光譜組束系統(tǒng)中，光纖芯徑即為光源寬度。對(duì)于光源寬度為D的光束，經(jīng)焦距為f的透鏡準(zhǔn)直后，其發(fā)散角為：α=D/f

(4)

當(dāng)僅考慮諧振腔分辨率影響時(shí)，如圖1所示的外腔結(jié)構(gòu)輸出激光線寬為[20]：

Δλ=Ddcosθ/f

(5)

將(2)式、(5)式代入(3)式，可得衍射光束的發(fā)散角：

β=D/f+(dcosθ)-1×Ddcosθ/f=2D/f=2α

(6)

在光纖激光光譜組束系統(tǒng)中，光束經(jīng)過(guò)組束元件即光柵衍射后，腰斑半徑不變，光束發(fā)散角為原發(fā)散角的2倍,如圖3所示。由(4)式及(6)式可知，組束系統(tǒng)中光纖芯徑對(duì)組束后光束的發(fā)散角也有影響。

Fig.3 Schematic layout of beams before & after grating

2.2 外腔反饋仿真

實(shí)驗(yàn)中采用透射光柵，衍射極次為-1級(jí)，則m=-1，采用的光柵1000line/mm,波長(zhǎng)為1080nm，理論計(jì)算線寬為0.2nm，衍射角32.60°。采用輸出光纖為大模場(chǎng)雙包無(wú)源光纖(Nufen GDF-20/400)，芯徑為20μm。在ZEMAX設(shè)計(jì)中，通過(guò)設(shè)計(jì)3個(gè)波長(zhǎng)分為1080nm，1080.05nm，1079.95nm的高斯光源從同一位置沿相同方向出射，表征線寬全寬為0.2nm的光束。在非序列中加入高斯光源，束腰寬度為9μm，數(shù)值孔徑為0.06，對(duì)應(yīng)的位置均為0.15mm,光功率均為1.00W。

選取的光柵為透射光柵，光柵刻線數(shù)取為1000line/mm，衍射級(jí)次選取-1，與x軸方向夾角設(shè)為32.60°。

Fig.4 Simulation layout of external cavity feedback system in ZEMAX

外腔反饋系統(tǒng)空間結(jié)構(gòu)示意圖如圖4所示。組束方向準(zhǔn)直透鏡焦距選用75mm焦距柱透鏡，非組束方向準(zhǔn)直透鏡選用30mm柱透鏡，光柵選取1000line/mm。

在激光輸出端面處分別采集出射光與反饋光在組束方向上的光場(chǎng)強(qiáng)度分布，其分布如圖5所示。當(dāng)激光輸出端面上的光斑半寬度與出射光斑寬度相同時(shí)，返回的光能占輸出光能的72.73%。

按照上面所述的設(shè)置，引入第2路子束激光，進(jìn)行雙路組束仿真。第2路子束激光波長(zhǎng)設(shè)置為1060nm， 組束方向準(zhǔn)直透鏡焦距選用75mm焦距柱透鏡，非組束方向準(zhǔn)直透鏡選用30mm柱透鏡，其空間結(jié)構(gòu)見圖6。

Fig.6 Simulation layout of SBC system in ZEMAX

分別采集單路外腔反饋與雙路組束輸出時(shí)，光柵后方與部分反射平面鏡后方的組束方向光場(chǎng)強(qiáng)度分布，其分布如圖7所示。 雙路子束激光組束時(shí)光場(chǎng)分布與單路外腔反饋時(shí)光場(chǎng)分布一致。

Fig.7 Light field distribution

a—external cavity feedback laser after grating b—SBC after grating c—external cavity feedback laser after partially reflecting flat mirror d—SBC after partially reflecting flat mirror

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

3.1 實(shí)驗(yàn)結(jié)構(gòu)

本文中采用的光纖激光器外腔反饋實(shí)驗(yàn)結(jié)構(gòu)如圖8所示。實(shí)驗(yàn)中采用的增益光纖為大模場(chǎng)雙包層摻鐿光纖(Nufen PLMA-20/400)，輸出的光纖為大模場(chǎng)雙包無(wú)源光纖(Nufen GDF-20/400),光纖端面鍍?cè)鐾改?反射率小于0.5%)。光纖激光器產(chǎn)生激光后先經(jīng)過(guò)f=30mm輸出光束先經(jīng)過(guò)的柱透鏡，對(duì)光束水平方向直行準(zhǔn)直，然后經(jīng)過(guò)f=75mm的柱透鏡，對(duì)光束豎直方向進(jìn)行準(zhǔn)直，后光束入射到透射光柵上，經(jīng)光柵衍射后，入射到部分反射平面鏡上。調(diào)節(jié)光路，待反饋條件成立后，拆除低反射率光纖光柵，形成外腔反饋系統(tǒng)。

Fig.8 Schematic layout of external feedback system

3.2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果及分析

分別測(cè)量光纖激光器自由運(yùn)轉(zhuǎn)及外腔反饋輸出時(shí)的功率，結(jié)果如圖9所示。部分反射平面鏡的反射率為10%。當(dāng)驅(qū)動(dòng)電流為12A時(shí)，外腔反饋激光輸出功率為29.7W，光纖激光器自由運(yùn)轉(zhuǎn)功率為32.4W，光光轉(zhuǎn)換效率為91.5%。在工作電流范圍內(nèi)，光光轉(zhuǎn)換效率高于90%。

Fig.9 Relationship of SBC output power, free drive laser power, combination efficiency and current

Fig.10 Qualitative measurement results of external cavity feedback of SBC

采用SCPRICON M2-200型光束質(zhì)量分析儀測(cè)量外腔反饋輸出的光束質(zhì)量，組束方向光束質(zhì)量M2=1.241，非組束方向光束質(zhì)量M2=1.171。組束方向與非組束方向相比，光束質(zhì)量相近，如圖10所示。外腔反饋輸出光束的光束質(zhì)量?jī)?yōu)于R?SER等人外腔光譜組束輸出的光束質(zhì)量[13]。

在驅(qū)動(dòng)電流為12A的情況下，光纖激光器自由運(yùn)轉(zhuǎn)輸出光譜與外腔反饋輸出光譜如圖11所示。從圖中可以看出，自由運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)，頻譜內(nèi)除主峰外還有次峰，而外腔反饋后，頻譜內(nèi)只有單一的主峰，證明激光波長(zhǎng)實(shí)現(xiàn)鎖定。由第2節(jié)中的分析可知，光譜寬度理論值為0.2nm，光譜儀測(cè)得外腔反饋輸出光譜寬約為0.16nm，與理論分值有較小差距， 其原因主要為光柵放置的角度和位置存在誤差。

Fig.11 Spectrum of fiber laser and SBC systema—fiber laser on free drive b—SBC system

4 結(jié) 論

通過(guò)對(duì)外腔反饋結(jié)構(gòu)進(jìn)行改進(jìn)，將組束系統(tǒng)中單個(gè)傳輸透鏡的準(zhǔn)直和聚焦功能分離，以獲得更好的組束輸出光束質(zhì)量。實(shí)現(xiàn)了光纖激光外腔反饋鎖波長(zhǎng)輸出，連續(xù)輸出功率為29.7W，光光轉(zhuǎn)換效率為91.5%，反饋輸出組束方向光束質(zhì)量M2=1.241，非組束方向M2=1.171。外腔反饋過(guò)程中，光譜譜線寬度與理論計(jì)算基本一致。該外腔反饋方案可應(yīng)用于多路光纖激光光譜組束。