国产光纤实现同带抽运3000W激光输出∗

王泽晖 肖起榕 王雪娇 衣永青 庞璐 潘蓉 黄昱升田佳丁 李丹 闫平 巩马理

1)(清华大学精密仪器系,北京 100084)

2)(中国电子科技集团公司第四十六研究所,天津 300220)

1 引 言

掺镱光纤激光器(ytterbium-doped fi ber lasers,YDFLs)因其转换效率高、亮度高、光束质量好而在工业、科研等领域应用广泛.以激光二极管(LD)作为抽运源,双包层掺镱光纤作为增益介质,采用主控振荡器功率放大器(master oscillator power ampli fi er,MOPA)结构的光纤激光器,已经可以实现千瓦量级的激光输出[1−5],最高可以实现大于4 kW的近衍射极限输出[6].与传统的LD抽运源相比,YDFL可以实现更高亮度的抽运功率注入,可以进一步提升光纤激光器抽运效率与输出功率.同时,使用1000—1030 nm的YDFL作为抽运源,更加接近输出波长,可以有效地减少量子亏损,降低光纤中的热功率,实现更好的热管理与控制[7−12].因此,使用YDFL作为抽运源,采用同带抽运的方式可以实现更高功率的激光输出,成为目前高功率光纤激光器的主要发展方向之一.需要指出的是,增益光纤在1018 nm附近的吸收系数远小于976 nm的吸收系数,为充分吸收抽运光,通常需要较长的增益光纤.增益光纤长度增长,可引起受激拉曼散射等非线性现象[13],为此对激光器的设计提出了更高要求.

2009年,IPG公司基于同带抽运的方式,实现了单纤输出10 kW[14],随后,IPG公司又于2012年实现了单纤17 kW的激光输出[15].2015年,国防科技大学Xiao等[16]采用同带抽运的方式,利用制备的6台476 W@1018 nm的光纤激光器作为抽运源,成功实现了2140 W的激光输出,输出波长为1090 nm,斜效率为86.9%,光束质量为M2约为1.9.2016年,西安光学精密机械研究所Yang等[17]以同带抽运的方式将16.5 W的种子光(@1080 nm)放大至185 W,光-光效率为85%.2017年,国防科技大学Zhou等[18]报道了基于24路1018 nm的YDFL抽运源,实现总功率3.5 kW的激光输出,斜效率为87.5%,其输出光谱可以看到一阶受激拉曼光.在使用国产光纤方面,2015年王岩山等[19]基于15/130µm国产光纤,制备1018 nm同带抽运源,激光输出功率大于150 W.迄今为止,未见基于国产光纤的同带抽运光纤激光放大的报道.

本文采用中国电子科技集团公司第四十六研究所(以下简称中国电科46所)制备的25/250µm双包层掺镱光纤作为MOPA结构放大级的增益光纤,实现了基于同带抽运,超过3 kW的激光功率输出.

2 实验装置

实验装置采用MOPA结构,全光纤化设计,如图1所示.种子源是输出波长为1080 nm的光纤振荡器,尾纤尺寸为20/400µm.种子源后接包层光泄漏器(cladding light stripper,CLS),泄漏器光纤尺寸为20/400µm,与增益光纤相同.滤去残余包层光后,纤芯中的种子光经(2+1)×1合束器的信号臂注入放大级.(2+1)×1合束器的信号臂为双包层光纤,其纤芯与内包层直径为20/130µm,抽运臂为多模光纤,其纤芯与包层直径为105/125µm,输出纤为双包层光纤,其纤芯与内包层直径为25/250µm.种子源增益光纤的内包层直径大于合束器信号臂光纤的内包层直径,需用氢氟酸(HF)腐蚀增益光纤,使二者内包层尺寸相同,再进行熔接.由于在合束器前加入了包层光泄漏器,同时焊点两端光纤纤芯尺寸相同,因此对增益光纤包层进行腐蚀不会造成腐蚀区、焊点的局部过热现象.

图1 同带抽运光纤激光器原理图Fig.1.Schematic diagram of the tandem pump fi ber laser.

放大级如图1所示,抽运源为14台输出功率约为260 W的1018 nm YDFL,将其分为两组,每组中的7台激光器由7×1功率耦合器合束后(如图1中红框所示),经100/120/360µm的多模光纤(数值孔径NA=0.2)输出,总输出功率约为1800 W.抽运源输出尾纤直接与合束器抽运臂进行熔接.放大级中的增益光纤采用中国电科46所制备的八边形掺镱光纤,其纤芯直径为25µm,数值孔径为0.068,内包层直径为250µm,数值孔径为0.472,光纤在1018 nm处的吸收系数为0.41 dB/m.增益光纤前端与合束器的输出纤(25/250µm)熔接,尾端与QBH输出头熔接,经1018 nm/1080 nm二色镜反射后输出,实验中的二色镜对1080 nm波段的光高反,对1018 nm波段的光高透.引入QBH可有效避免反回光对种子源、抽运源的损伤与破坏,二色镜可以滤除残余抽运光.

3 数值分析

考虑增益光纤过长极易引起受激拉曼散射,需要对增益光纤进行优化设计,建立如下所示的速率方程组[20,21]:

式中,角标p,s,r分别代表抽运光、信号光和一阶拉曼光,+,−分别代表前向与后向的光信号;Γ为填充因子;σa为吸收截面;σe为发射截面;h为普朗克常数;c为光速;λ为波长;τ为Yb粒子上能级的寿命;Ac为纤芯面积;Aeff为等效纤芯面积;N为粒子数密度;gr为拉曼增益系数,其值为0.5×10−13;α为背景损耗,抽运光、信号光、拉曼光损耗分别为4.04,14.3,20 dB/km;N2(z)表示光纤上能级粒子数密度;Δf为一阶拉曼散射光波长处的自发辐射谱宽,其值为0.25 THz;Pspon表示为光纤中沿一个方向上单个偏振态的自发拉曼噪声,表达式为[22]

KB为玻尔兹曼常数,ν为频率,T为温度,取300 K.

图2显示了当抽运功率为3500 W时,放大器中抽运光、信号光、拉曼光的功率分布情况.将图2分为三个部分,第一部分为光纤小于40 m,信号光功率随光纤长度增长而升高;第二部分为光纤长度介于40—60 m之间,信号光功率趋于饱和,功率增长较慢,此时尚未达到拉曼阈值;第三部分为光纤长度大于60 m,光功率达到拉曼阈值,信号光功率将不再增加,能量转移到一阶拉曼光上.为避免产生非线性效应,同时有效的利用增益,减小信号光损耗,将增益光纤长度优化至40 m,此时无受激拉曼散射现象,仿真输出光功率为3.13 kW.

图2 激光放大器中抽运光、信号光、拉曼光功率分布图Fig.2.Calculated power distribution of pump,signal and Raman laser along the fi ber.

4 实验结果与分析

实验中使用的增益光纤是中国电科46所采用化学气相沉积(modi fi ed chemical vapor deposition,MCVD)结合气相-液相复合掺杂工艺制备的针对1018 nm高吸收的双包层掺镱光纤.其光纤的制备过程为:1)在较高温度下(1800—2100°C)于反应管内壁沉积若干层(5—10层)阻挡层,阻挡层主要成分为SiO2,目的是阻止水分与杂质扩散到芯层,阻挡层与石英管共同作为预制棒的包层;2)在较低温度下(1200—1500°C)沉积疏松层,疏松层的主要成分为SiO2,Al2O3,P2O5;3)将含有Yb3+离子的溶液注入反应管中浸泡疏松层,待Yb3+离子充分扩散到疏松层的空隙当中后,将剩余溶液取出,并对疏松层进行脱水处理;4)在高温下将疏松层玻璃化;5)重复步骤2)—4)若干次;6)在高温下将中空反应管缩成实心预制棒;7)对掺杂预制棒进行套管、磨八角形等加工处理;8)利用光纤拉丝塔将八角形预制棒拉制成光纤并进行涂覆.

同时,中国电科46所对上述工艺进行了技术改进和创新,包括:1)在沉积疏松层时,通过优化沉积温度、热源移动速度、原料流量等参数,有效解决了光纤预制棒疏松芯层中微孔大小尺寸差距大、分布不均匀的技术难题;2)采用气相-液相共掺技术,保证了[AlO]四面体在基质中的分布均匀性,相比于[SiO],[AlO]拥有负电价,要吸附阳离子以保持电中性,间接提高了Yb3+离子的分布均匀性;3)结合多层疏松芯层沉积技术,进一步提高了Yb3+离子的掺杂均匀性,并有效解决了高浓度掺Yb3+离子时出现的析晶问题;4)通过调节双包层掺镱光纤纤芯中共掺剂铝、磷元素的掺杂比例,增加了Yb3+离子周围环境的非对称性,拓宽了光纤中Yb3+离子的吸收截面;5)在预制棒加工时,改善了预制棒夹持方式,并优化了进给速度、磨片旋转速度等参数,有效提高了光纤预制棒八角形的加工精度,并有效降低了预制棒表面微缺陷的数量.

放大级中的增益光纤长度优化为40 m,增益光纤对1018 nm抽运光的总吸收为16 dB,抽运光基本吸收完成.放大级输出功率如图3所示,输出激光功率随着抽运光功率的提高而线性增强,最高的输出功率为3079 W,此时抽运输入功率为3511 W,斜效率为85.9%.图4为在最高输出功率下的光谱图,输出激光的中心波长为1080.2 nm,3 dB带宽为1.4 nm.从光谱上可以看到,在1130 nm附近没有受激拉曼散射现象发生,激光功率未达到受激拉曼散射阈值,与仿真结果一致.实验中种子光的功率为67.8 W,输出光谱如图4中内嵌图所示,3 dB带宽为0.9 nm.实验中使用PRIMES生产的激光光束质量分析仪来测量输出激光的M2因子.当抽运功率为600 W时,M2约为2.14,测量结果如图5所示.

图3 光纤输出功率随抽运功率的变化Fig.3.Curve of output power versus pump power.

图4 输出激光光谱(内嵌图为种子光光谱)Fig.4.Spectrum of output laser(seed spectrum inset).

图6所示为中国电科46所制备的25/250µm双包层光纤在显微镜下观测的横截面,其八边形形状比较规则,对边间距误差小于1µm,纤芯内包层同心度误差小于1.5µm.图7为放大器主焊点的显微镜图像,无明显轴向偏差.与文献[23]进行对比并结合上述的实验验证,说明国产光纤的制作技术日趋成熟,已经具备承受高功率输出的能力.

图5 光束测量结果Fig.5.Beam quality measurement results.

图6 国产增益光纤截面图Fig.6.Cross section of the domestic gain fi ber.

图7 国产增益光纤主焊点显微镜像Fig.7.Microscopic image of the splicing joint of the domestic gain fi ber(for both x and y direction).

与直接抽运相比,同带抽运具有量子亏损较小、易于热管理的优势[24].下面基于速率方程与热传导方程[25−28],分别就976 nm直接抽运与1018 nm同带抽运对光纤内热功率密度分布进行理论计算,其中热功率密度Q定义为纤芯中单位体积内产生的热功率,即

其中,Ac为纤芯面积,PQ(z)为产热功率分布函数.设η为量子效率,则在dz长度内产热功率可以表示为

仿真结果如图8所示,抽运方式为前向抽运3500 W,增益光纤均为25/250µm掺Yb光纤,增益光纤在1018 nm处的吸收系数为0.41 dB/m,在976 nm处的吸收系数为4.8 dB/m.与直接抽运相比,同带抽运中热功率密度要小接近两个数量级,同时,热功率的分布更加均匀,利于系统的热管理,但付出的代价是需要更长的光纤.综上,因在热管理上优势明显,同带抽运将会是实现更高功率激光输出的有效技术途径.

图8 直接抽运与同带抽运热功率密度分布Fig.8.Calculated heat power density distribution of direct and tandem pump along the fi ber.

5 总 结

同带抽运是实现高功率光纤激光器的有效途径,也是目前研究的一大热点.本文基于同带抽运方式,放大级增益光纤采用中国电子科技集团公司第四十六研究所制备的25/250µm掺镱光纤,当种子光功率为67.8 W、抽运总功率为3511 W时,获得了超过3 kW的激光输出,斜效率为85.9%,M2约为2.14,中心波长为1080.2 nm,3 dB带宽为1.4 nm.同时,对同带抽运激光放大器进行了理论数值分析,数值分析结果与实验结果相近.此外,从产热的角度,对同带抽运以及直接抽运进行了分析比较,说明了同带抽运方式在热管理上的巨大优势.进一步提高抽运功率,同时优化增益光纤长度,改良散热方式,国产光纤有望实现更高功率的激光输出.

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