全国产化单纤高功率光纤激光器的研究

杨敬文,张培培,吕晓英,韩桂云,张雪莲,王晓龙,张 鹏,黄榜才

(1.中国电子科技集团公司第四十六研究所,天津 300220;2.中电晶锐(天津)激光科技有限公司,天津 300220)

1 引 言

高功率光纤激光器具有转换效率高、光束质量好、工作寿命长、热管理简单、结构设计灵活等诸多优点,在工业加工、医疗、科研、军事等领域得到广泛应用。最初,高功率连续光纤激光器大多采用空间耦合泵浦的方式实现。这种非全光纤化的光纤激光器工作时,光纤端面要同时承受泵浦光和输出激光的双重功率,因此可靠性较差[1-2]。同时这种非全光纤激光器对工作环境要求高,使用及维护不方便,这些不利因素严重限制了其大规模商业应用。近几年,随着光纤合束器、光纤光栅等关键器件的研究工作取得突破性进展,使全光纤化的光纤激光器在商业应用方面得到大规模的推广[3-5]。目前,中高功率光纤激光器核心元器件的国产化工作也取得了重大突破。例如,北京凯普林光电公司、大族天成有限公司等公司的研发生产的泵浦源已经满足常用研发及生产应用；深圳朗光科技、西安中科汇纤等公司研制的泵浦合束器、QBH等中高功率光无源器件已经非常成熟。国内很多科研机构比如长飞、光迅科技、中电46所等研制的大芯径传能光纤、大芯径掺杂光纤虽有多年的光纤研究基础,但光纤的光光效率、光暗化等具体指标与国外主流光纤厂家仍有较大差距,同时国内光纤厂家一直没有性能稳定的产品供应市场。近年来,中电46所加大了在特种光纤方面的研发投入,经过广大科研工作者的努力,2016年最新研制光纤的性能指标已经达批量工业应用的水平。本文所介绍的实验中,所有光器件均为国产,其中使用了中电46所研制20/400大芯径掺镱光纤,光光转换效率达到71%,达到光纤激光器正常光光效率范围,打破了中高功率光纤激光器核心器件国外垄断的局面。

2 实验方案

本文所研究的光纤激光器采用谐振腔振荡输出,其核心光器件均为国产器件,实验原理图如图1所示。泵浦源为16支国产泵浦LD,单支泵浦LD输出功率为65 W,输出尾纤为105/125 μm,中心波长为915 nm。泵浦光合束采用两级合束的方式,合束器为中电46所自己拉制。一级泵浦合束采用了4支4×1合束器,其单臂承受功率为80 W。二级合束器采用(6+1)×1合束器,其单臂承受功率为300 W,输出尾纤为20/400 μm尾纤,最大可以承受2000 W泵浦光功率。该激光器谐振腔由纤芯、包层直径分别为20 μm、400 μm的增益光纤和一对光纤光栅(FBG)组成。高反光栅(HR FBG)中心波长为1080.8 nm,反射率99.7%,3dB带宽为3.2 nm。输出耦合光栅(OC FBG)中心波长为1080.04 nm,反射率为9.4%,3dB带宽为1.3 nm,光纤光栅由朗光科技公司提供。增益光纤采用中电46所的20/400掺镱双包层光纤,该光纤在泵浦光915 nm处的吸收系数为0.4 dB/m。谐振腔振荡输出光中含有包层光成分,采用自制的包层光剥除器(CPS)在谐振腔与QBH之间,将腔内剩余泵浦光剥除干净。为防止反馈光,采用中电46所自制的QBH作为输出端。功率计为Newport公司5 kW功率计。

图1 实验原理图

3 实验结果

实验过程中首先对16支泵浦源的输出功率进行了测试,在(6+1)×1合束器输出尾纤后,测试得到泵浦源输出功率为1062.6 W。国内泵浦源工艺经过多年的发展,泵浦源封装工艺已经有了很大提高,其中光电输出效率可以达到50%以上。图2为泵浦电流与输出泵浦光变化曲线图。

图2 输出泵浦光功率与泵浦电流的变化曲线图

将整个实验平台搭建完成后,测试得到激光输出功率与泵浦光功率变化关系曲线,如图3所示。泵浦功率为1062.6 W时,最大输出激光功率为758 W,其中电光效率可以达到38%,光光效率为71.3%。由图3可以看出,泵浦光功率与输出激光功率具有较好的线性关系,增大泵浦光功率有潜力能够实现更高激光功率的输出。这充分说明中电46所研制的双包层掺镱增益光纤已经满足工业化批量生产的要求。输出激光光谱如图4所示,输出激光中心波长为1.08 μm,谱宽为2.55 nm。图5为输出激光β因子图,分别为近场光斑与远场光斑测试图,其数值为1.3,属于准单模高功率连续光纤激光器。

图3 输出激光功率与泵浦光功率的变化曲线图

图4 输出激光光谱图

图5 输出激光β因子图

该实验平台系统经过3 h连续工作,没有明显的光功率下降现象,后期检验测试部门又经过32 h的满功率连续激光输出,激光器输出功率波动范围小于2%。实验结果充分证明中电46所研制的20/400 μm双包层掺镱增益光纤已经满足了工业化应用,其光-光效率、光暗化、数值孔径等各项参数指标已达到国内领先水平,打破了国外对大芯径光纤的垄断,为光纤激光器核心光器件的国产化迈出了关键的一步。

下面将同种类型及型号的Nufern光纤与中电46所研制的光纤按照原理图1实验,对结果与数据进行分析。图6为 Nufern光纤与46所光纤输出功率对比图,在泵浦光为1062.6 W时,Nufern光纤可以输出835 W激光,46所增益光纤输出激光为758 W。图7为两种光纤的功率稳定性测试,通过数据图可以明确的知道,Nufern光纤与中电46所光纤在30 min的测试过程中激光输出功率都没有明显的变化。总之,国产泵浦源、合束器,光纤光栅,增益光纤,QBH等光器件已经可以满足现阶段工业化批量生产应用的要求。随着国产光纤近年来的不断发展,积累了丰富的数据经验,相信在不久的将来国产光纤将会迅速占领光纤市场,打破国外对大芯径光纤的垄断。

图6 Nufern光纤与46所光纤输出功率对比图

图7 为两种光纤的功率稳定性测试

4 结 论

由以上实验结果表明,国产中高功率光纤激光器的核心光器件,比如泵浦源、合束器、光纤光栅、增益光纤、QBH等,都可以满足现阶段市场需求。同时可以清楚地知道中电46所研制的20/400掺镱双包层增益光纤在各项参数方面已经满足工业化批量应用的要求。这标志着光纤激光器核心元器件的国产化又迈出了重要的一步,打破了增益光纤完全依赖进口的局面。同时,我们仍然要看到国产光器件与世界先进水平之间的差距。这些不足之处将来会影响光纤激光器核心光器件的产业化布局。

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