基于泵浦調制的高功率光纖激光器過沖抑制

高俊峰,閆明鑒,梁慧生,詹 涌,韓志剛,朱日宏,劉 明

(南京理工大學電子信息與光電技術學院,江蘇 南京 210094)

1 引 言

高功率光纖激光器在工業、國防和醫學等領域有重要應用[1],隨著激光功率的增加,過沖效應的影響不容忽視。過沖效應呈現為一個峰值功率遠高于穩態功率的毫秒量級的激光脈沖,過沖峰的頻率在幾十到幾百赫,經過衰減振蕩后趨于穩定。過沖效應造成光纖中產生超高的激光功率密度和大量沉積的熱負荷[2],引起光纖激光器的非線性效應閾值降低、光束質量惡化、模式不穩定以及熱損傷等現象,使激光器輸出呈現復雜的動態行為,甚至導致激光器永久性損傷[3]。

人們對光纖激光器的瞬態響應特性、自脈沖現象、強度噪聲抑制等方面進行了大量的理論與實驗研究,Sanchez等人[4]從激光光子和反轉粒子的交互作用對激光過沖效應進行理論解釋；方妍等人[5]對激光過沖效應從部分未抽運或弱抽運的光纖對信號光的可飽和吸收作用進行解釋；孟現柱等人[6]獲得摻雜三能級光纖激光器速率方程組的解析解；Ammar Hideur等人[7-8]對于側向抽運高功率摻鐿雙包層光纖激光器的動態行為和自脈沖激發的布里淵散射和拉曼散射能夠產生不規則的脈沖進行了研究；梁旭等人[9]通過光電反饋法設計相位超前和低噪聲寬帶寬增益放大的噪聲抑制電路,將強度噪聲抑制在39 dB以下；Kim Dohyun等人[10]通過組合腔內外光學元件法,將鎖模光纖激光器的相對強度噪聲抑制在-140 dB/Hz以下； Amili Abdelkrim等人[11]在激光腔內插入可飽和吸收體作為緩沖池,利用光子吸收進行噪聲抑制。

迄今,對高功率光纖激光器過沖效應的行為機制還沒有達成共識,對高功率光纖激光器的過沖效應抑制技術研究也比較少見,但研究發現光學器件的機械振動,增益介質的熱不穩定性,泵浦光功率擾動,光纖激光振蕩器的內損耗起伏等都會引起過沖效應。通過優化溫度、增益光纖長度、光纖光柵反射率、光纖摻雜離子濃度、泵浦方式等參數能夠抑制光纖激光器的過沖效應[12],但優化這些參數通常會引起激光輸出功率、光束質量或光譜特性發生變化。本文提出一種基于泵浦調制的高功率光纖激光器過沖效應抑制方法,通過泵浦調制電路直接優化泵浦抽運速率,最終抑制高功率光纖激光器的過沖效應,該方法不改變激光的光束質量或光譜特性,但會導致激光輸出經過毫秒量級的緩升時間后達到額定功率輸出,但這并不會影響連續型高功率光纖激光器的工作和應用。

2 理論研究

高功率光纖激光器的過沖效應是在超過閾值的階躍泵浦光(P(t)=P0≥Pth)作用下,在上能級粒子經歷一定的延遲時間后第一次達到相應的平衡值時,其相應的靜態信號光子密度也應達到平衡值,但在實際的瞬態過程中,此時的信號光子密度仍然遠小于平衡值。因受激輻射過程很弱且泵浦抽運速率一定,上能級粒子數濃度得以繼續增長,但在這個過程中,自發輻射的增強也使受激輻射不斷增強,直到信號光子密度第一次達到平衡值時,在信號光子的作用下前期過量積累的“反轉粒子”終于達到爆發點,使其同時發生受激輻射而爆發出一束遠超平衡值的激光過沖。降低泵浦抽運速率或增大自發輻射率可以在穩態之前遏止“反轉粒子”過量積累,實現對激光過沖效應的抑制,但自發輻射率與溫度、光纖摻雜離子濃度、增益光纖長度、光纖光柵反射率等參數有關,改變這些參數通常會引起激光輸出功率、光束質量或光譜特性的變化,優化泵浦抽運速率不會引光束質量或光譜特性變化。

激光過沖過程及其機制可以由速率方程建立其解析理論,根據激光理論,摻鐿雙包層光纖激光器可視為二能級系統[13],其速率方程寫為關于上能級粒子數密度N(t)和光子數密度S(t)的微分方程為:

dN(t)/dt=Wp·[Nt-N(t)]-N(t)/τp-σv·N(t)·S(t)

(1)

dS(t)/dt=σv·N(t)·S(t)-S(t)/τ3

(2)

其中,Wp為泵浦抽運幾率；Nt為粒子總濃度；τp為粒子在上能級平均壽命；τ3為信號光子平均壽命；σ為光纖受激躍遷截面；v為摻雜光纖中的光速。

采用線性小信號近似分析法對上式求解,可得描述受激光子數密度的微分方程:

(3)

其中,α=(σvN0)/Wp+1/τp；β=(σvN0)/τ3；N0為穩態時上能級粒子濃度。

在泵浦光階躍輸入條件下,對于泵浦功率恒定的光纖激光振蕩器,受激輻射光子數密度為:

S(t)=A[1-e-γt·sin(ωt+φ)]

(4)

其中,γ=α/2為阻尼振蕩系數；ω2=β-α2/4為振蕩頻率；A和φ由初值決定；阻尼振蕩系數和振蕩頻率與泵浦抽運速率、光纖摻雜離子濃度、腔內光子壽命等都有關,但隨著泵浦抽運速率的降低,系統的阻尼振蕩系數增大。

進一步分析高功率光纖激光器過沖效應,模擬不同阻尼振蕩系數的激光器輸出功率與時間的關系,結果如圖1所示,此處對輸出強度進行了歸一化處理,光纖激光器的受激輻射光子數密度做簡諧衰減振蕩運動,阻尼振蕩系數越大,振蕩衰減越快,振幅隨時間增大而減小,最終趨于平衡位置。

圖1 不同阻尼下的激光器輸出功率隨時間的變化Fig.1 Variation of laser output power with time under different damping

綜上所述,增光纖激光器系統的阻尼振蕩系數,即通過降低泵浦抽運速率能夠遏止穩態工作之前上能級 “反轉粒子”過量積累,可以降低激光過沖的峰峰值,能夠有效地抑制高功率光纖激光器過沖效應。

3 實驗與分析

3.1 泵浦調制方案設計

根據高功率光纖激光器對泵浦抽運速率的需求和大功率光纖耦合半導體泵浦源的直接調制特性[14],設計如圖2 所示泵浦調制電路,其主要由MOS管、運算放大器、三極管、滯后RC、高精度采樣電阻等部分構成線性恒流閉環負反饋系統[15]。

圖2 泵浦調制電路拓撲圖Fig.2 Topology of pump modulation circuit

泵浦調制電路工作過程為:主回路電源接通后,運算放大器(U1,LM258)的同相端輸入基準電壓信號、反向端輸入高精度采樣電阻(RT1)的電壓采樣信號,但由于MOS管(MOS1,IRPF4468PbF)存在輸入電容,這要從電路中汲取較大的電流以在一定時間內完成導通,所以運算放大器輸出的電壓信號需要由功放三極管(QZ1,9013)、電阻(R8、R9)組成的射極跟隨器來增強帶負載能力,射極跟隨器輸出電流經時間滯后網絡[11](R10、C3)驅動MOS管,隨著電容(C3)充電,MOS管柵極電壓逐漸升高,當柵極電壓達導通閾值后,MOS管逐漸導通,驅動電流從0緩慢上升到最大值,當電容(C3)充電飽和時,MOS管工作在放大區,回路電流趨于穩定,此時輸出電流為:

I=(VD-V1·K2+Vref·A·K1·K2)/[(1+A·K1·K2)·RT+RL]

(5)

其中,A為差分放大器放大倍數；K1為功放三極管的放大倍數；K2為MOS管工作在放大區時的電流放大倍數；VD為回路直流電源電壓；V1為三極管的前置電壓；Vref為基準電壓；RL與RT分別為泵浦等效電阻值以及采樣電阻值。

通過改變時間滯后網絡中電阻(R10)和電容(C3)的值可以調節主回路電流的緩升時間,但由于MOS管的自身存在導通、開啟延遲[16]和電路中散布電容的影響,電流實際緩升時間要略長于4RC[17],根據上述泵浦調制原理搭建泵浦調制電路,并對其調制性能進行測試,測試結果如圖3 所示,這里電流強度歸一化處理,泵浦驅動電流從0緩升到16 A,達到0.99Imax的時間0～3 ms可調,本文搭建的泵浦調制電路滿足光纖激光器的需求。

圖3 泵浦驅動電流緩升時間測試圖Fig.3 Test chart of slow rise time of pump drive current

3.2 激光過沖抑制實驗與分析

為了測試光纖激光器的過沖效應并驗證理論的準確性,搭建一套750 W的光纖激光振蕩器測試系統,如圖4 所示,采用雙向泵浦方式對振蕩器進行泵浦,半導體激光器(LD)(中心波長為976 nm,額定功率130 W,輸出端光纖135/155 μm)通過正向6×1光纖合束器(PC)(輸入端光纖135/155 μm,NA 0.22,輸出端光纖20/400 μm,NA 0.065/0.46)和反向(2+1)×1光纖合束器(輸入光纖135/155 μm,輸出端光纖14/250 μm)耦合到振蕩器中。光纖激光振蕩器由高反光纖光柵(中心波長為1080 nm,帶寬(-3 dB)為3.2700 nm,反射率大于99.6 %)、低反光纖光柵(中心波長為1080 nm,中心帶寬(-3 dB)為0.9027 nm,反射率為9.3 %)和長度為30 m的增益光纖(LMA-YDF-14/250-HP-M,NA 0.065/0.46)組成。低反光纖光柵后連接包層光剝離器(CPS)去除不需要的包層光,用石英端帽(QBH)輸出信號光。使用功率計(Spiricon,1500 W)測量輸出功率,來自功率計的散射光由光電二極管(PD)(TTI,TIA525I-FC)收集。

圖4 光纖激光振蕩器系統示意圖Fig.4 Schematic diagram of fiber laser oscillator system

首先,采用程控電源(IT6523D 3 kW/220 V/60 A)為光纖激光器系統供電,此時光纖激光振蕩器中的泵浦光可視為階躍輸入,測試結果如圖5所示,這里激光、電流強度歸一化處理,當設置程控電源輸出電流為16 A時,光纖激光振蕩器穩態輸出功率750 W,光光轉換效率能夠達到70.8 %,過沖峰值功率高達1450 W,接近兩倍穩態功率。結果表明,測試結果與仿真結果吻合較好,在階躍泵浦光輸入情況下,泵浦抽運速率較快導致“反轉粒子”過量積累,引起光纖激光振蕩器產生遠高于激光器額定穩態功率的激光過沖。

圖5 750 W光纖激光器過沖測試圖Fig.5 Overshoot test chart of 750 W fiber laser

降低泵浦抽運速率可以有效地抑制光纖激光器的過沖效應,為了驗證這一點,采用上述泵浦調制電路對光纖激光振蕩器進行供電測試,測試結果如圖6 所示,這里激光、電流強度歸一化處理,泵浦調制電路輸出電流16 A,緩升時間0.16 ms,光纖激光振蕩器穩態輸出功率750 W,0.97Pmax時間小于1 ms,無激光過沖。

圖6 泵浦調制后750W光纖激光器測試圖Fig.6 Test chart of 750 W fiber laser after pump modulation

上述實驗結果分析表明,泵浦抽運速率是影響光纖激光振蕩器產生過沖效應的主要因素之一,通過泵浦調制可以抑制光纖激光器的過沖效應；本文設計的泵浦調制電路滿足光纖激光器對泵浦抽運速率的需求；通過滯后RC控制MOS管的導通,泵浦驅動電流緩升時間0到3 ms可調；大功率光纖耦合半導體泵浦源的直接調制特性良好,泵浦調制電路可根據光纖激光振蕩器的需求,對泵浦抽運速率進行不同程度的優化；經泵浦抽運速率過優化后,光纖激光器輸出達到0.97Pmax的時間小于1 ms,光纖激光器瞬態響應特性良好,無激光過沖。

4 結 論

本文針對高功率激光器的過沖效應會導致光束質量惡化并極有可能造成激光器損壞的問題,理論分析了光纖激光器的過沖效應產生機理,結果表明,過沖效應與泵浦抽運速率和自發輻射率等因素有關,泵浦抽運速率影響光纖激光振蕩器中受激輻射光子數密度方程的阻尼振蕩系數、振蕩頻率,通過降低泵浦抽運速率能有效地抑制光纖激光器的過沖效應。設計泵浦調制電路對泵浦抽運速率進行優化,并搭建了一套750 W光纖激光器系統,激光過沖峰值功率1450 W,相同條件下經泵浦調制后,激光過沖得到衰減了-2.86 dB,0.97Pmax時間小于1 ms,光束質量和光譜特性不發生變化,通過實驗驗證了理論與實驗結果的一致性。