國產長錐形光纖實現400 W 單頻單模激光輸出*

安毅 潘志勇 楊歡 黃良金 馬鵬飛 閆志平 姜宗福 周樸

(國防科技大學前沿交叉學科學院, 長沙 410073)

(2021 年4 月12 日收到; 2021 年5 月11 日收到修改稿)

1 引 言

高功率單頻光纖激光器在激光雷達、相干合成、相干光通信、非線性頻率變換、引力波探測等領域具有巨大的應用需求[1-5]. 近年來, 隨著高性能增益光纖及光纖器件的發展, 高功率單頻光纖激光器的輸出功率得到較大提升[6-14], 但功率的進一步提升受到了受激布里淵散射(stimulated Brillouin scattering, SBS)效應[15]和橫向模式不穩定(transverse mode instability, TMI)效應[16-18]的限制. 一般而言, SBS 效應在小芯徑光纖中更易發生, 產生的后向斯托克斯光會導致光纖損傷; 而TMI 效應在大芯徑光纖中更易發生, 會引起光束質量的突然惡化. 受限于這兩個因素, 高功率單頻光纖激光器的輸出功率始終停留在數百瓦量級.2014 年, 美國空軍實驗室的Robin 等[9]通過對新型聲場裁剪摻鐿光子晶體光纖施加溫度梯度, 基于空間結構實現了功率為811 W,M2因子小于1.2的單頻單模激光輸出, 這是目前公開報道的單頻光纖激光器的最高輸出功率. 相比于空間結構, 全光纖結構單頻激光器具有結構更加緊湊、性能更加穩定、維護更加方便等優勢. 2013 年, 中國科學院上海光學精密機械研究所的張磊等[7]通過對纖芯包層比為10 μm/125 μm 的單模光纖施加應力梯度和溫度梯度實現了功率171 W,M2= 1.02 的單頻單模激光輸出. 2016 年, 國防科技大學的黃龍等[10]采用纖芯包層比為25 μm/250 μm 的大模場保偏高摻雜光纖, 通過施加應力梯度的方式實現了功率414 W,M2= 1.34 的單頻單模激光輸出.

長錐形光纖[19-21]為單頻光纖激光器功率的進一步提升提供了新的解決思路. 相比于常規均勻直徑光纖, 長錐形光纖纖芯直徑隨長度的增加而逐漸增加. 其小芯徑端支持的模式較少, 可有效地保證激光的單模特性并能夠提高TMI 閾值, 而大芯徑端模場面積大, 能夠提高SBS 閾值. 因此, 長錐形光纖有望在小芯徑和大芯徑之間“揚長避短”, 在一定程度上兼顧TMI 和SBS 的抑制. 2020 年, 國防科技大學的來文昌等[12]基于一段長度為1.3 m 的長錐形大模場保偏增益光纖(其輸入端纖芯包層比為36.1 μm/249.3 μm, 輸出端纖芯包層比為57.8 μm/397.3 μm), 將全光纖結構單頻光纖激光器的輸出功率提升至550 W, 測得的M2因子為1.47. 這是已報道的全光纖結構單頻激光器的最高功率記錄,功率的進一步提升有賴于增益光纖參數的進一步優化設計.

近年來, 國產大模場摻鐿光纖的制備工藝和高功率應用不斷取得新突破[22-32], 其中上海光學精密機械研究所基于自研25 μm/400 μm 光纖實現了2.2 kW 的窄線寬單模激光輸出[27], 國防科技大學基于自研雙錐形光纖實現了4 kW 的寬譜單模激光輸出[31], 中國工程物理研究院基于自研的泵浦增益一體化光纖實現了11.23 kW 的寬譜高功率輸出[32]. 盡管國產光纖在寬譜和窄線寬領域的應用已經較為廣泛, 但在單頻激光領域的應用較少.2007 年, 中國科學院上海光學精密機械研究所的張芳沛等[33]基于一段長度為5.3 m 的39 μm/600 μm國產光纖實現了中心波長1064 nm、功率為7.3 W、斜率效率為39%的單頻激光輸出. 2011 年, 國防科技大學的董小林等[34]基于一段長度為5 m 的30 μm/400 μm 國產光纖實現了中心波長1063.8 nm、功率為122 W、斜率效率為72%的單頻激光輸出.此后未見基于國產光纖實現的該波段更高功率的公開報道.

結合國產光纖和單頻光纖激光器的發展現狀,基于國產增益光纖實現高功率單頻光纖激光輸出具有重要意義. 最近, 國防科技大學基于自主研制的長錐形摻鐿雙包層非保偏光纖搭建了全光纖結構的單頻主振蕩功率放大(master oscillator poweramplifier, MOPA)系統, 實現了輸出功率超過400 W、斜率效率81.7%,M2因子為1.29 (400 W 時測得)的單頻單模激光輸出. 據可查詢資料, 這是基于國產光纖實現的單頻單模激光的最高輸出功率.

2 實驗設置

自研的長錐形摻鐿雙包層光纖的纖芯和內包層直徑的比值固定為0.12, 測量得到的小端纖芯包層比為30.3 μm/245 μm, 大端纖芯包層比為49.3 μm/404 μm. 光纖總長度為2.2 m, 其中錐區約為2 m,兩端的小芯徑和大芯徑均勻區分別為0.1 m. 光纖的纖芯數值孔徑(NA)為0.06, 小芯徑均勻區的吸收譜如圖1 所示.

圖1 長錐形光纖小芯徑均勻區的吸收譜Fig. 1. Absorption spectrum of the small-core region of the long tapered fiber.

基于該光纖的全光纖結構的單頻光纖激光器系統如圖2 所示. 單頻種子激光(seed)中心波長為1064 nm、線寬約為20 kHz、輸出功率為30 mW.種子激光經過隔離器(ISO)和兩級預放大器(twostage pre-amplifiers)后功率約為5 W, 然后通過耦合器(tapper)和合束器(combiner)注入到主放大器, 其中耦合器后向的輸出臂用于監測主放大器中產生的后向回光(backward monitor), 以判斷主放大器中SBS 效應是否達到閾值. 主放大器采用前向泵浦的方式進行激光放大, 泵浦源為6 個最大輸出功率為95 W、中心波長為976 nm 的激光二極管(LD). 所用(6+1)×1 合束器的信號輸入臂和輸出臂的纖芯/內包層直徑分別為15 μm/130 μm和30 μm/250 μm. 長錐形光纖的大部分區域盤繞在水冷盤上, 彎曲半徑約為10—15 cm, 尾纖脫離水冷盤, 固定于精密調節架上. 為避免端面反饋對系統的不利影響, 尾纖末端切割成8°斜角. 放大后的激光經斜角輸出至自由空間, 并經空間準直器準直. 此時的輸出光束中含有未被光纖吸收的剩余泵浦光. 利用二色鏡濾除剩余泵浦光后, 進行輸出功率、光譜、時域、光束質量等參數的測量. 其中測量光束質量時需要調整光路, 加入足夠的衰減器件以確保進入到光束質量測量儀中的光功率在儀器的承受范圍.

圖2 基于長錐形雙包層光纖搭建的單頻光纖放大器的實驗裝置圖Fig. 2. Experimental setup of single frequency fiber amplifier based on tapered double clad fiber.

3 結果與分析

實驗中利用光電探測器監測功率計靶面的散射光, 以判斷是否有TMI 效應出現. 當輸出光功率至400, 418 和434 W 時, 系統時域結果如圖3(a)、圖3(c)和圖3(e)所示, 頻域結果如圖3(b)、圖3(d)和圖3(f)所示. 圖3(a)和圖3(b)中的時頻域結果表明在輸出功率為400 W 時, 光電探測器接收到的散射光的強度無明顯波動, 表明此時系統并未出現TMI 效應. 根據圖3(c)—(f)結果可知, 當輸出功率增加至418 W 時域信號開始在ms 量級的尺度上出現輕微的波動, 對應的頻域曲線上開始出現明顯的高頻分量; 當輸出功率進一步增加至434 W時, 時域信號的波動更加明顯. 因此, 這些現象預示著輸出功率在400 W 時, TMI 效應尚未出現,當輸出功率進一步增加, TMI 效應出現.

圖3 不同輸出功率下, 光電探測器接收光信號的時頻域 (a)輸出功率為400 W 時的時域; (b) 輸出功率為400 W 時的頻域; (c) 輸出功率為418 W 時的時域; (d) 輸出功率為418 W 時的頻域; (e) 輸出功率為434 W 時的時域; (f) 輸出功率為434 W 時的頻域Fig. 3. The detected scattering light signals under different output power levels: (a) Time domain when output power reaches 400 W; (b) frequency domain when output power reaches 400 W; (c) time domain when output power reaches 418 W; (d) frequency domain when output power reaches 418 W; (e) time domain when output power reaches 434 W; (f) frequency domain when output power reaches 434 W.

測得輸出功率和回光功率隨泵浦光功率的變化情況如圖4 所示. 從圖4 中可以看出, 隨著泵浦功率增大, 輸出功率近似呈線性增長, 整個過程沒有觀察到功率下降現象. 當泵浦功率為0 W 時, 輸出激光功率為4.5 W; 當泵浦功率為502 W 時, 輸出激光功率為400 W, 對應的斜率效率約為81.7%.該輸出功率下對應的后向回光僅為8.4 mW, 約為前向輸出功率的0.021‰. 在整個放大過程中, 回光沒有出現非線性增長的跡象, 這表明SBS 效應得到了良好的抑制.

圖4 輸出功率、回光功率隨泵浦光功率的變化Fig. 4. Output power and backward power versus pump power.

注入主放大器前的種子光和經過主放大器后不同輸出功率下的光譜如圖5 所示. 其中, 圖5(a)是經過預放大器后、注入主放大器前的種子光的光譜, 光譜的信噪比約為24 dB; 圖5(b)—(d)分別是輸出功率為109, 255, 和400 W 時的光譜. 從圖5(b)—(d)可以看到, 在不同輸出功率下光譜中無泵浦光成分, 說明剩余泵浦光已經被二色鏡充分濾除. 同時, 光譜中無放大自發輻射(ASE)成分. 伴隨著輸出功率的增加, 光譜的信噪比也逐漸增加, 400 W輸出功率下的信噪比約為32 dB.

圖5 種子光及經過主放大器后不同輸出功率下的光譜 (a) 種子光; (b) 輸出功率109 W; (c) 輸出功率255 W; (d) 輸出功率400 WFig. 5. Spectra of the seed light and the output laser with different power lever: (a) Seed light; (b) output power of 109 W; (c) output power of 255 W; (d) output power of 400 W.

測得不同輸出功率下的M2因子變化情況, 如圖6 所示. 從圖6 中可以看到, 在不同輸出功率下Mx2和My2的測量值均保持在1.4 以下, 這也表明400 W 時系統未出現TMI 效應. 在輸出功率為400W時,Mx2和My2的測量值分別為1.254和1.325,等效M2為1.29.圖6還給出了輸出功率為400 W時束腰光斑的形態.M2的測量值和光斑形態表明了單頻光纖放大器的單模輸出特性.

圖 6 光束質量因子隨輸出功率的變化Fig. 6. Beam quality factor versus output power.

實驗過程中未觀察到SBS 效應, 功率的進一步提升主要受限于TMI 效應, 下面對后續的優化設計方案進行討論. 根據文獻[11]的分析, 減小長錐形光纖的纖芯直徑將有效提高TMI 閾值, 本文自研長錐形光纖的纖芯直徑從30.3 μm 變化到49.3 μm, 后續可以嘗試將長錐形光纖小端的纖芯直徑減小至25 或20 μm. 同時, 實驗中長錐形光纖尾部由于未進行有效冷卻, 過量的熱積累降低了TMI 的閾值, 使用合適長度的匹配被動光纖將能實現對整段摻雜光纖的有效冷卻, 從而一定程度提高TMI 閾值. 另外, 實驗中還發現擾動長錐形光纖的尾纖會導致輸出光斑形態的變化和光束質量的退化. 其可能原因是光纖的NA較小, 且尾部的光纖芯徑較大, 光纖的模式耦合更嚴重. 此外, 目前實驗系統為非保偏系統, 后續將構建保偏實驗系統, 實現單偏振激光輸出. 由于保偏輸出和非保偏輸出的實驗結構較為相似, 實現單偏振輸出的主要難點在于保偏長錐形光纖的制備. 綜合以上分析,下一步將優化光纖制備工藝, 研制纖芯直徑較小、熱分布均勻的非保偏和保偏長錐形摻鐿雙包層光纖以及匹配的被動光纖, 并改進實驗結構, 以期基于國產光纖實現更高功率的單頻激光輸出.

4 結 論

長錐形光纖是實現單頻光纖激光器高功率和高光束質量輸出的有效途徑. 本文基于自研的一段長度為2.2 m 的長錐形摻鐿雙包層光纖, 搭建了單頻MOPA 系統, 在泵浦光功率約為502 W 時, 獲得功率400 W,M2因子1.29、信噪比32 dB 的單頻單模激光輸出. 激光系統的斜率效率為81.7%,在輸出功率為418 W 時出現TMI 效應. 這是目前基于國產增益光纖實現的最高功率全光纖結構單頻單模光纖激光器. 進一步優化光纖參數、改進實驗結構將有望基于國產光纖實現更高功率的單頻單模激光輸出.

感謝何加威、肖亮、喻湘榮、陳瀟、范晨晨、李浩博等在實驗過程中的支持和幫助.