基于GTWave技術(shù)的脈沖光纖激光器

趙治國(guó)，申向偉，吳中超，王大貴，王曉新，王智林，何曉亮

(1.中國(guó)電子科技網(wǎng)絡(luò)信息安全有限公司，四川 成都610041；2.中國(guó)電子科技集團(tuán)公司第二十六研究所, 重慶 400060)

0 引言

光纖激光器具有體積及質(zhì)量小，光束質(zhì)量好，泵浦轉(zhuǎn)化效率高，維護(hù)簡(jiǎn)單等優(yōu)點(diǎn)，在國(guó)防、醫(yī)療、通信、工業(yè)加工等相關(guān)領(lǐng)域應(yīng)用廣泛，成為激光器產(chǎn)業(yè)的主導(dǎo)力量[1-5]。隨著光纖激光應(yīng)用領(lǐng)域的不斷拓展，人們對(duì)激光器單脈沖能量、峰值功率的要求越來(lái)越高。但高單脈沖能量和峰值功率的激光輸出會(huì)導(dǎo)致纖芯的功率密度過(guò)高，易引起受激布里淵散射(SBS)、受激拉曼散射(SRS)等非線性效應(yīng)，產(chǎn)生峰值功率過(guò)高的窄脈沖，燒毀光纖。傳統(tǒng)方式是采用增大光纖的有效模場(chǎng)面積來(lái)降低纖芯的功率密度，但此方法一方面會(huì)激發(fā)光纖的高階模，惡化激光器輸出的光束質(zhì)量，另一方面會(huì)提高光纖激光器的成本，降低其市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)力。Sakai J、Limpert J等[6-7]通過(guò)降低光纖纖芯的數(shù)值孔徑，結(jié)合增大模場(chǎng)面積來(lái)抑制非線性效應(yīng)，實(shí)現(xiàn)單模高能量輸出。但此方法受普通光纖材料的限制，數(shù)值孔徑只能降低到0.05左右，而數(shù)值孔徑過(guò)低會(huì)使彎曲損耗過(guò)高。

本文利用增益/泵浦一體化光纖(GTWave)側(cè)面泵浦耦合技術(shù)，增加了泵浦光和增益光纖的耦合長(zhǎng)度，降低了單纖傳輸?shù)墓β拭芏龋诓辉黾訌澢鷵p耗和降低光束質(zhì)量的基礎(chǔ)上，提高了承受的單脈沖能量和峰值功率，最后實(shí)現(xiàn)了波長(zhǎng)1 064 nm、單脈沖能量2.459 mJ、峰值功率10 kW、光束質(zhì)量1.15的脈沖激光器。其在工業(yè)加工、醫(yī)療等領(lǐng)域具有廣闊的應(yīng)用前景。

1 泵浦耦合技術(shù)

雙包層光纖激光器的泵浦耦合技術(shù)是將高亮度的半導(dǎo)體激光耦合到雙包層光纖的內(nèi)包層中。主要有端面泵浦耦合技術(shù)和側(cè)面泵浦耦合技術(shù)。端面泵浦耦合主要采用透鏡耦合和直接熔融耦合兩種方式，如圖1所示。

圖1 端面泵浦耦合技術(shù)

透鏡耦合效率為60%～70%，但操作復(fù)雜，穩(wěn)定性差。直接熔融耦合效率可達(dá)90%，但耦合數(shù)量和耦合結(jié)構(gòu)受限，且當(dāng)注入泵浦功率過(guò)高時(shí)，光纖端面易被燒壞。

側(cè)面泵浦耦合技術(shù)主要有嵌入透鏡式[8]、V型槽式[9]、側(cè)面熔接式[10]、反射光柵式[11]和GTWave式[12]。

圖2為嵌入透鏡式側(cè)面泵浦耦合技術(shù)。該方式在雙包層光纖內(nèi)包層上刻一個(gè)小槽，然后嵌入反射鏡，最大耦合效率可達(dá)80%。但由于使用了光學(xué)膠，因而耦合功率受限。

圖2 嵌入透鏡式側(cè)面泵浦耦合技術(shù)

圖3為V型槽式側(cè)面泵浦耦合技術(shù)。在雙包層光纖側(cè)面加工一個(gè)V型槽，耦合效率可達(dá)80%，但該方式對(duì)光纖加工工藝要求高，承受光功率和系統(tǒng)穩(wěn)定性受限。

圖3 V型槽式側(cè)面泵浦耦合技術(shù)

圖4為側(cè)面熔接式側(cè)面泵浦耦合技術(shù)。將信號(hào)光纖和泵浦光纖去掉涂覆層，然后熔融拉錐，將泵浦耦合進(jìn)信號(hào)光，耦合效率可達(dá)90%，是目前高功率光纖激光器主流方式，但該方式耦合效率與拉錐長(zhǎng)度、角度、深度等多種因素有關(guān)，且泵浦注入位置單一，所以光纖纖芯傳輸和包層瞬間傳輸?shù)墓β拭芏群艽蟆９饫w傳輸?shù)膯蚊}沖能量受限。

圖4 側(cè)面熔接式側(cè)面泵浦耦合技術(shù)

圖5為反射光柵式側(cè)面泵浦耦合技術(shù)。該方式剝離掉信號(hào)光纖的涂覆層，不用破壞光纖的包層，但耦合效率和入射光的偏振性有關(guān)，且該方式采用了光學(xué)膠，耦合泵浦光功率受限。

圖5 反射光柵式側(cè)面泵浦耦合技術(shù)

圖6為GTWave側(cè)面泵浦耦合技術(shù)。該方式采用無(wú)包層泵浦光纖和單包層的信號(hào)光纖平行排列。兩根光纖在光學(xué)上相連，在物理上分量。由于泵浦光纖中的泵浦光光場(chǎng)可作用到信號(hào)光纖中，從而實(shí)現(xiàn)了泵浦光的耦合，且這種耦合的耦合長(zhǎng)度長(zhǎng)，是緩慢和漸進(jìn)式的耦合，一方面可將泵浦產(chǎn)生的熱量分散，提高光纖穩(wěn)定性，另一方面降低了瞬間泵浦注入功率密度，提高光纖承受的單脈沖能量和峰值功率。耦合效率可達(dá)90%，是制作高功率激光器的理想選擇。

圖6 GTWave式側(cè)面泵浦耦合技術(shù)

2 激光器的搭建和測(cè)試結(jié)果

本文采用中國(guó)電科天之星激光技術(shù)有限公司拉制的25/250 GTWave光纖，其光纖端面如圖7所示。由圖可看出，該光纖泵浦纖纖芯直徑為?253.56 μm，無(wú)包層光纖。信號(hào)光纖纖芯直徑為?25.56 μm，包層直徑為?257.12 μm。實(shí)驗(yàn)中，泵浦光纖為105 μm /125 μm光纖，信號(hào)輸出光纖為10 μm /125 μm雙包層光纖。在信號(hào)光纖及泵浦光纖輸入/輸出處采用模場(chǎng)匹配，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖8所示。

圖7 GTWave光纖端面圖

圖8 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

通過(guò)控制輸入泵浦光功率和種子源信號(hào)光的脈沖寬度及功率，在重復(fù)頻率10 kHz的情況下得到了單脈沖能量2.459 mJ的脈沖激光輸出，測(cè)試結(jié)果如圖9所示。

圖9 測(cè)試結(jié)果圖

由圖9(a)可看出，輸出平均功率隨著泵浦功率增加而逐漸增加，GTWave增益光纖的增益未達(dá)到飽和，轉(zhuǎn)化效率為41%，最后得到了24.59 W的功率輸出。由圖9(b)可看出，激光器輸出的單脈沖能量也隨著泵浦功率的增加而增加，趨勢(shì)和圖9(a)一致，單脈沖能量最高為2.459 mJ，比傳統(tǒng)的30/250/400雙包層光纖采用側(cè)面熔接式側(cè)面泵浦耦合的方式高2.4倍。由圖9(c)可看出，隨著泵浦功率的增加，激光器輸出的峰值功率先增加，再飽和。飽和峰值功率約為10 kW。這是由于隨著泵浦功率的增加，激光器的脈沖寬度不斷展寬。比較圖9(a)～(c)可知，該光纖的輸出功率和單脈沖能量還有提升空間，而峰值功率最大穩(wěn)定約為10 kW，可通過(guò)提高種子源脈沖寬度及增加注入泵浦的方式來(lái)得到高單脈沖能量和高平均功率的脈沖輸出。

3 結(jié)束語(yǔ)

本文采用中國(guó)電科天之星激光技術(shù)有限公司拉制的25/250 GTWave光纖，制作了輸出脈沖單脈沖能量2.459 mJ、峰值功率10 kW的脈沖光纖激光器。分析了峰值功率恒定時(shí)提高該激光器平均功率和單脈沖能量的方式。對(duì)高單脈沖能量脈沖激光器的研制提供了一定的理論和實(shí)驗(yàn)基礎(chǔ)。