LD泵浦的准连续输出双包层掺镱光纤激光器

刘 亮，崔俊伟，李文景，王 蓟，张云琦，刘桂岐，彭以新

(长春理工大学理学院，吉林长春130022)

1 引言

19世纪40年代，Daniel Colladon和Jacques Babinet发现了能够依靠光折射原理来引导光束的现象，这是光纤理论最早的雏形。光纤是一种利用光的全反射原理研制的光传导工具，1920年前后人们开始利用此原理进行光纤图像传输研究，如医学内窥镜、军事可弯曲潜望镜等［1］。自20世纪60年代初第一台激光器发明以来，不同种类、功能各异的激光器纷繁涌现。光纤激光器是新一代激光器的主要代表之一，正在逐渐取代其它激光器［2］。

掺镱双包层光纤激光器输出波长为976～1 200 nm，常见的输出波长为1 060 nm，恰好位于大气吸收窗口，因此，1 060 nm波长作为信号能够明显地扩展激光雷达等的侦测距离，进而提前预警，争取到更多的军事准备时间，具有较大的军事应用价值［3］。

掺镱双包层有源光纤采用了先进的包层泵浦技术，由于双包层光纤内包层的数值孔径和横截面尺寸较大，可大幅度提高泵浦效率和输出功率，单根光纤的激光输出可达100 W以上［4］。同时，它的储能性能较好，饱和能量达32 J/cm2，易于实现高效率和高功率激光输出。

双包层光纤激光器的输出光束质量取决于纤芯直径和数值孔径，适合完成单横模激光输出。掺镱双包层光纤激光器输出激光的质量可以接近衍射极限，有利于降低激光雷达的盲区，提高目标追踪和武器精确打击目标的准确性。

掺镱双包层光纤的构造简单、质量轻、体积小，使用灵活方便、散热效率高，能够弯曲盘绕成任意形状［5］。掺镱双包层光纤介质的表面积与体积比是固体激光介质的1 000倍以上，因此，散热效果较好。对于连续输出110 W的光纤激光，可使光纤盘绕成环状，通常无需使用其他设备对光纤进行冷却。

不难看出掺Yb3+光纤激光器具有可调谐范围宽、转换效率高、光束质量好、散热性能好、激光阈值低等优点［6］，它整合了稀土掺杂光纤(双包层)技术和二极管激光器泵浦耦合技术的特点，提高了泵浦光和耦合效率，实现了高功率、高亮度的激光输出，故在空间光通信、工业加工、印刷、医疗以及军事领域有着广泛的应用前景。

本文在研究光纤激光器理论模型的基础上，搭建了LD泵浦的双包层掺镱光纤激光器系统，通过实验分析了系统的组成结构和特点，分别讨论了连续输出和准连续输出掺镱双包层光纤激光器的输出特性。

2 理论模型

光纤激光器的增益介质为掺杂稀土离子的光纤芯，它在2个反射镜之间形成了一个F-P谐振腔。泵浦光束从对泵浦光高透光率、对激射光高反射率的反射镜入射到掺杂的光纤纤芯中，激射输出光从对激射光低发射率的反射镜输出。

泵浦光到达光纤纤芯时，会被纤芯中掺杂的稀土离子吸收。稀土原子会吸收泵浦光的光子能量，同时原子层中的电子会受激跃迁至高能级，形成粒子数反转，然后再以辐射形式从高能级第二次跃迁到基态，第二次跃迁释放能量，并射出光子，这一过程即增益介质的受激辐射［7-8］。

图1 Yb3+能级结构示意图Fig.1 Schematic diagram of Yb3+energy structure

一般采用石英玻璃作为光纤激光器的有源介质，当掺入Yb3+后，由于基质材料中电场分布不均匀，将发生能级展宽，2F5/2展成3个子能级，2F7/2则变成4个子能级，如图1所示，Yb3+这种展宽机制归因于分裂能级之间声子的产生和湮灭引起的能量交换，以及基质对电场能级的微扰产生的Stark效应两种机制。基态2F7/2含有4个Stark能级;处在基态以上大约10 000 cm-1处的激发态2F5/2含有3个Stark能级。正是由于Yb3+具有这种简单的能级结构，使得在泵浦波长处和信号波长处均不存在激发态吸收现象。同时，由于2F5/2和2F7/2间存在较大的能级间隔(约10 000 cm-1)，阻碍了多光子的非辐射驰豫和浓度猝灭的发生。在室温下并非所有Yb3+能级都参与跃迁，与短波长区域辐射对应的能级为a-de，简化为三能级系统;与长波长区域辐射对应的能级为a-b-d-e，简化为准四能级系统。

如图2所示，四能级系统泵浦过程中将基态E0的粒子泵浦到激发态E3，激发到E3的粒子通过无辐射跃迁迅速转移到亚稳态能级E2，粒子在E2能级上的寿命较长，产生积累，实现与激光下能级E1之间的粒子数反转，所以E2又叫激光上能级，E1对应于Yb3+子能级b，室温下其粒子数分布只占整个基态粒子数的4%［9］。

图2 Yb3+四能级结构示意图Fig.2 Schematic diagram of Yb3+four-energy structure

3 实验

3.1 激光电源

选取国产HLD-8004型LD连续输出驱动电源作为本实验的激光电源。该电源是一种可靠性高、精度高、使用灵活、适用范围宽的LD驱动电源，电源工作模式可调，满足准连续输出要求。具体技术参数见表1。

表1 国产HLD-8004型LD连续输出驱动电源技术参数Tab.1 Technical parameters of continuous wave output driving power source made in China

3.2 方波发生器

本实验使用了HLD-8004型连续LD驱动电源，由于该电源在脉冲工作模式下重频不能超过1 000 Hz，占空比不能超过50%，故设计了一个以555定时器为核心的方波发生电路，如图3所示。

图3 占空比可调的方波发生电路Fig.3 Square wave generator circuit with adjustable dutyfactor

从图3可以看出，开始时C2电容的电压Vc由于放电而降低，当它的值低于下阈值Vcc/3时，触发了定时器，输出变成了高电平，致使放电晶体管被停止。这时C2电容充电开始，以(R1+R2)C的时常数趋近于Vcc。当电容Vc上电压达到2Vcc/3时，输出又变成低电平，同时放电晶体管通电。C2电容再次经由R1和放电晶体管放电，近似以R1C的时常数趋向于零。当电容C上电压下降到Vcc/3时，展开另一次往复。由此定时器频繁持续振荡，在输出端发生矩形脉冲，于C2电容上形成近似锯齿波的波形。通过改变R4的大小还可以调控电压的高低，从而进一步改变输出方波的占空比。

图4 方波发生器的输出波形Fig.4 Output waveform of square wave generator

因此，可通过调节电阻R1来调节输出方波的频率，调节R4来调节输出方波的占空比。为了减小外界环境对输出波形的干扰，可在电路中加一个施密特整形电路来稳定波形。方波发生器的输出波形如图4所示。

该方波发生器的具体输出性能为:频率50～1 000 Hz可调，占空比10% ～90%可调，电压0～2 V可调。由于选定的泵浦源的最大输入电流不能超过25 A，而实验中所用到的激光电源，其输出电流与输入电压成正比关系。因此，方波发生器的高电平电压不能超过1.92 V。

3.3 泵浦源

泵浦源选取要注意泵浦源的输出中心波长是否与镱离子的吸收峰相匹配，同时要考虑泵浦源的输出功率以及输出光束质量是否达到要求。

如果想在镱离子976和1 030 nm的两个发射峰处都能得到激光输出，那么可以选择915 nm输出波长来抽运镱掺杂双包层光纤。基于以上原因，为获得高功率激光输出，本文选用美国Spectra Physics公司的ME-100LD作为准连续掺镱双包层光纤激光器的泵浦源，工作波长为976 nm，实际输出波长为966 nm，最大输出功率为25 W。

3.4 掺镱双包层光纤

采用了Nufern公司SM-YDF-5/130型单模镱掺杂双包层光纤，其内包层为八边形，纤芯直径为6 μm。影响光纤的吸收性能的主要原因是纤芯掺杂浓度，也与内包层构造形状有关系，本文选用稀土掺杂浓度较高的掺镱双包层光纤，内包层形状为八边形，突破了圆对称结构的先例，有较高的吸收效能。实验选用的11 m八边形内包层形状掺镱双包层光纤能够达到饱和吸收。

3.5 光纤光栅

光纤激光器的谐振腔由高反光纤光栅、低反光纤光栅和掺镱双包层光纤构成，光纤光栅的选择对实验能否达到预期效果很重要。实验中选用的高反光纤光栅的反射率为99.853%，长度为10 mm;低反光纤光栅的反射率为8.722%，长度为3 mm。高反射光栅和低反射光栅可通过的波长均为(1 064±0.5)nm。实验结构如图5所示。

图5 LD泵浦双包层掺Yb3+光纤激光器结构图Fig.5 Schematic diagram of Yb3+-doped double-clad fiber laser pumped by LD

4 结果与讨论

4.1 连续输出掺镱双包层光纤激光器输出特性

图6 泵浦功率-电压关系Fig.6 Relationship between pump power and voltage

为了更好地分析连续输出掺镱双包层光纤激光器的光光转换效率和斜率效率，研究了在连续输出的情况下，光纤激光器的功率输出情况，此时方波发生器是连续工作模式。调节直流电源的输出电压(0～1.92 V)，用功率计测量泵浦光的输出。测量的泵浦光功率-电压如图6所示，泵浦光功率与输入控制电压之间呈线性关系，在最高控制电压下，泵浦源尚未达到饱和。将另一只功率计放在光纤激光器的输出端口，研究泵浦功率与光纤激光器输出功率的关系，得到泵浦功率-输出功率之间的关系，如图7所示。光纤激光器的输出功率随着泵浦功率的增加而增加，但不呈线性关系，根据图6，可能是由于低反射光纤光栅的反射率低造成的。低反光纤光栅的反射率降低，随着泵浦功率的增加，更多的光从光纤光栅和掺镱双包层光纤所组成的谐振腔中射出，导致输出功率增加。此时输出功率和泵浦功率不再呈现线性关系。然而在低泵浦功率的情况下，输出功率和泵浦功率大致呈线性关系。因此，在准连续工作的情况下，可以不用更换低反光纤光栅继续进行试验，不会影响后续的实验结果。

图7 泵浦功率-输出功率关系Fig.7 Relationship between pump power and output power

4.2 准连续输出掺镱双包层光纤激光器输出特性

图8 50 Hz不同占空比下的光输出功率Fig.8 Curves of laser output power under different dutyfactors with 50 Hz

为了验证激光器电源占空比和激光脉冲脉宽以及重复频率之间的的关系，选取3组占空比和5组重频，对不同占空比、重频和脉宽情况下的脉冲激光输出功率、光谱和波形进行测量。经过测试，在占空比为50%，频率为50 Hz，脉宽为10 ms时，脉冲激光功率达到峰值2.67 W，此时电压为2.0 V，如图8所示。为了测定激光的稳定性，每半个小时记录一次数据，在3 h内连续测量，表示在这一情况下，激光器可以长时间的保持相对稳定的工作状态。

利用光谱仪测量输出激光的光谱，测量结果如图13所示，激励光输出中心波长在1 064 nm，无明显泵浦光出现，说明泵浦光几乎全部被吸收。如图9～13所示，频率相同情况下，占空比越大，激光输出功率越大。在理论上，相同占空比情况下，输出的光功率应该是一致的，但是由于上升沿的弛豫现象，频率越大的时候，功率下降越多，如图14～16所示。

图9 100 Hz不同占空比下的光输出功率Fig.9 Curves of laser output power under different dutyfactors with 100 Hz

图10 200 Hz不同占空比下的光输出功率Fig.10 Curves of laser output power under different dutyfactors with 200 Hz

图11 500 Hz不同占空比下的光输出功率Fig.11 Curves of laser output power under different dutyfactors with 500 Hz

图12 900 Hz不同占空比下的光输出功率Fig.12 Curves of laser output power under different dutyfactors with 900 Hz

图13 激光输出中心波长Fig.13 Curves of laser output center wavelength

图14 占空比为10%时不同频率下的光输出功率Fig.14 Curves of laser output power under different frequencies with 10%dutyfactor

图16 占空比为50%时不同频率下的光输出功率Fig.16 Curves of laser output power under different frequencies with 50%dutyfactor

5 结论

图15 占空比为30%时不同频率下的光输出功率Fig.15 Curves of laser output power under different frequencies with 30%dutyfactor

对准连续掺镱光纤激光器进行了实验研究，从理论上阐明了光纤激光的工作原理，分析了稀土掺杂双包层光纤的各项特性和能级系统，并通过实验对准连续镱掺杂光纤激光器的输出特性进行了研究。

本实验中光纤激光器输出的中心波长为1 064 nm。光纤激光器的输出功率随着脉宽和控制电压的增加而增加，且在脉宽和控制电压相同的情况下，输出功率随着频率的增加而减少。分析结果表明:光纤激光器的输出功率与方波发生器输出方波的脉宽成正比，且与激光电源的脉冲上升时间有关，若能减少激光电源的脉冲上升时间，则在一定的范围内光纤激光器的功率输出会有一定的上升。

掺Yb3+双包层脉冲光纤激光器在重频50 Hz和脉宽10 ms时测量得到最大脉冲输出功率为2.67 W，无明显热光现象。在重频相同情况下，占空比越大，激光输出功率越大，而在占空比相同情况下，重频越大，功率下降越明显，这是由于重频越大，电源上升沿时间积累越多，相应激射的激光功率减小。

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