低反光纤光栅对光纤激光器光谱展宽影响研究

李登科,尹 路,2,汤亚洲,葛诗雨,2,韩志刚,沈 华,2,朱日宏,2

(1.南京理工大学工业和信息化部先进固体激光技术重点实验室,江苏 南京 210094;2.南京理工大学电子工程与光电技术学院,江苏 南京 210094)

1 引 言

高功率光纤激光器具有光束质量好、发散角小以及稳定性高等突出特点,已成为高能激光领域的研究热点[1-2]。近些年,随着光谱合束及窄线宽高功率光纤激光器技术的发展[3-5],对光谱特性的研究已成为高功率光纤激光技术发展的重点方向之一。光谱合束与窄线宽高功率光纤激光器的设计均对激光器光谱带宽有很高要求[6],因此对激光器输出光谱展宽的研究具有重要意义。

光纤激光器的输出光谱带宽通常是通过谐振腔控制,谐振腔由高反光纤光栅(HR)、低反光纤光栅(OC)以及增益光纤构成。目前,关于激光器输出光谱展宽的研究较少。S.K.Turitsyn等[7]建立了高非线性腔连续波掺Yb3+光纤激光器的理论模型,由于准确的数值模拟需要复杂的计算,该模型只能做定性分析；Sergey I.Kablukov等[8-9]基于激光器的自相位调制(self-phase modulation,SPM)效应建立了输出光谱展宽的理论模型,研究了输出光谱带宽与功率的变化关系；国防科学技术大学刘伟等[10]利用更为简洁的方法对激光器光谱展宽理论模型进行了推导,实验分析了不同功率下的输出光谱形态变化。但目前的大部分研究都只分析了激光器输出光谱展宽与增益光纤参数之间的关系,关于光纤光栅对输出光谱展宽影响的研究甚少。本文在文献[8]和文献[10]的研究基础上,分析了在SPM及低功率下的空间烧孔效应(spatial hole burning,SHB)过程中,OC对激光器输出光谱展宽影响的理论因素；并分别从OC带宽及OC反射率对激光器输出光谱展宽影响两个方面进行了实验验证。

2 理论分析

2.1 光谱展宽理论

自相位调制(SPM)是指信号光强的瞬时变化引起其自身的相位调制。光脉冲在光纤的传播过程中,SPM会产生与光强有关的非线性相移:

φNL(L,T)=U(0，T)2(Leff/LNL)

(1)

式中,U(0，T)是Z=0处的场振幅；Leff和LNL分别为光纤的有效长度和非线性长度[11]。

SPM感应的频谱变化是φNL时间相关性的直接结果,其可以理解为瞬时变化的相位表示光脉冲有不同的瞬时光频率[11],该光频率距离中心频率ω0的差值δω为:

(2)

δω的时间相关性称为频率啁啾,这种SPM造成的频率啁啾随传输距离的增大而增大。因此当光脉冲沿光纤传输时,新的频率分量不断产生,导致了初始频谱的展宽。

在多模固体激光器输出光谱特性分析中,达到信号光的饱和功率后,SHB会影响到激光器输出光谱的带宽,通常掺Yb3+光纤激光器这一阈值在几十毫瓦左右[9],因此在低功率时,不能忽略SHB对激光器输出光谱带宽的影响。

2.2 理论模型

图1 光纤激光器谐振腔结构图Fig.1 Scheme of fiber laser cavity

(3)

K-(τ)≅GK+(τ)[1-2ν2(K+(0)2-

K+(τ)2)+O(φ4NL)]

(4)

当激光器达到稳定输出时,还应满足边界条件:

I+(ω)=R(ω)I-(ω)

(5)

由此可得到关于K+(τ)的恒等式：

(6)

根据文献[9]的分析方法,假设I+(ω)具有高斯型:

(7)

根据边界条件有:

(8)

Δ1和Δ2分别为正反向传播光场的光谱宽度,满足:

(9)

对式(7)和式(8)做傅里叶变化代入到式(6)中,可得到:

(10)

将式(10)代入式(9)简化后得到:

(11)

由于激光器输出光谱函数Iout(ω)满足:Iout(ω)=I-(ω)·T(ω),其中T(ω)=1-R(ω)为OC的透射率函数。通常情况下T(ω)≥0.9,且Δ1≤ΔFBG,因此I-(ω)透过OC后的输出光谱形状基本不变,由此得到SPM下的输出光谱宽度为:

(12)

其中,ΔFWHM为输出光谱的半峰全宽。

对于低功率下SHB所导致的光谱展宽,现有的分析模型已经相对成熟,根据文献[8]的结论,SHB效应下的输出光谱宽度为:

(13)

其中,H(H=c/2Ln)为激光器的纵模间隔；n为光纤的折射率。

3 实验研究

为了进一步探究OC与激光器输出光谱展宽之间的关系,我们搭建了光纤激光器光谱展宽实验测试系统,分别从OC带宽及OC反射率对光谱展宽影响两方面进行了实验分析。

实验测量系统结构如图2所示。半导体泵浦源经过合束器与谐振腔相连接,谐振腔输出的激光依次通过包层光剥离器(CPS)与QBH(Quatrzblock high power)后进入功率计与光谱仪,分别进行输出功率与光谱的测量。激光器系统采用三只凯普林半导体激光器作为泵浦源,中心波长λc=976 nm,单支满功率P=100 W。增益光纤采用Nufern公司LMA 20/400 μm双包层掺Yb3+光纤,纤芯及内包层直径分别为20 μm及400 μm,数值孔径分别NA=0.06和NA=0.46,光纤长度Z=18 m,非线性克尔系数γ=0.57 km-1W-1。

图2 实验测量系统图Fig.2 Experimental measurement system

光栅均采用实验室自制高功率光纤光栅,自制光纤光栅采用紫外激光掩膜版法刻制,刻制光栅的光纤类型为Nufern公司LMA 20/400 μm双包层无源光纤。光谱测量采用日本YOKOGAWA公司光谱测量仪:型号AQ6370D,分辨率0.02 nm,测量精度±0.01 nm。激光器实验系统所采用HR光谱图如图3所示,基本参数如下:反射率99%,带宽2.03 nm,中心波长1080.08 nm。

图3 激光器系统HR光谱图Fig.3 HR spectrum of laser system

3.1 OC带宽对输出光谱展宽影响

为了探究OC带宽对激光器输出光谱展宽的影响,采用两个带宽不同,反射率相等的OC进行实验。实验1和实验2分别采用OCI与OCII作为低反光纤光栅,基本参数如表1所示。

表1 OCI与OCII参数表Tab.1 Parameters of OCI and OCII

OCI与OCII的反射光谱图如图4所示,每幅光谱图左侧为参考HR反射谱,右侧为OC反射谱。

图4 OCI与OCII反射光谱图Fig.4 Reflection spectrum of OCIand OCII

实验结果如图5所示,图5(a)、5(b)分别为实验1和实验2输出光谱FWHM随输出功率变化情况,其中实线为式(12)仿真计算结果,虚线为实验数据线性拟合结果；图5(c)、5(d)为不同功率下实验1和实验2归一化输出光谱图,其中虚线为实际光谱形态,实线为高斯拟合结果。由图5(a)、5(b)可明显观察到,输出光谱的FWHM随输出功率均呈线性变换,实验1和实验2变化斜率分别为0.0051 nm/W与0.0031 nm/W,与理论推导中式(12)计算的理论值0.0041 nm/W与0.003 nm/W基本一致。实验测得低功率下实验1和实验2输出光谱宽度分别为0.0731 nm与0.0517 nm,与式(13)理论计算值0.0689 nm与0.0557 nm基本一致。

图5 实验1与实验2输出光谱随功率变化Fig.5 Theoutputspectra versus the output power for Experiment 1 and Experiment 2

3.2 OC反射率对输出光谱展宽影响

为了探究OC反射率对输出光谱展宽影响,采用两个反射率不同,带宽近似相等的OC进行实验。实验3和实验4分别采用OCⅢ与OCⅣ作为低反光纤光栅,基本参数如表2所示。

表2 OCⅢ与OCⅣ参数表Tab.2 Parameters of OCⅢ and OCⅣ

OCⅢ与OCⅣ的反射光谱图如图6所示,每幅光谱图左侧为参考HR反射谱,右侧为OC反射谱。

图6 OCⅢ与OCⅣ反射光谱图Fig.6 Reflection spectrum of OCⅢ and OCⅣ

实验结果如图7所示,图7(a)、6(b)分别为实验3和实验4输出光谱FWHM随输出功率变化情况,其中实线为式(12)仿真计算结果,虚线为实验数据线性拟合结果；图7(c)、7(d)分别为不同功率下实验3和实验4归一化输出光谱图,其中虚线为实际光谱形态,实线为高斯拟合结果。由图7(a)、7(b)可明显观察到,输出光谱的FWHM随输出功率均呈线性变换,实验3和实验4变化斜率分别为0.0033 nm/W与0.003 nm/W,与理论推导中式(12)计算的理论值0.0034 nm/W与0.0026 nm/W基本一致。实验测得低功率下实验3和实验4输出光谱宽度分别为0.056 nm与0.069 nm,与式(13)理论计算值0.0549 nm与0.0589 nm基本一致。

4 结 论

本文分析了在SPM及低功率下SHB效应过程中,OC对激光器输出光谱展宽影响的理论模型,并分别从OC带宽及反射率对输出光谱展宽影响两方面进行了实验验证。实验结果表明,减小OC带宽能够有效减缓SPM及SHB导致的输出光谱展宽；减小OC反射率能降低SPM带来的输出光谱展宽速度,却促进了SHB导致的输出光谱展宽。结果也表明OC带宽与反射率对激光器输出光谱展宽均有影响,但相同改变量的情况下,OC带宽所带来的影响较反射率更为显著。随着光谱合束及窄线宽高功率激光器对光谱宽度要求的提高,激光器光谱展宽的相关研究意义重大。在今后的研究中,如果能将本文结论合理应用于MOPA(主振荡功率放大器)光纤激光系统种子源的设计中,定能获得高质量的激光输出。

参考文献:

[1] ZHANG Xiujuan,DUAN Yunfeng,ZHAO Shui,et al.Experimental study on high efficient all-fiber lasers at 1018 nm[J].ActaOpticaSinica,2016,(4):211-215.(in Chinese)

张秀娟,段云锋,赵水,等.高效率1018 nm全光纤激光器实验研究[J].光学学报,2016,(4):211-215.

[2] ZHANG Renli,ZHANG Bin,QI Yan,et al.High power 1018nm continuous wave ytterbium-doped fiber laser[J].Laser & Infrared,2016,46(9):1073-1075.(in Chinese)

张仁栗,张彬,亓岩,等.高功率1018 nm连续掺镱光纤激光器[J].激光与红外,2016,46(9):1073-1075.

[3] Beier F,Hupel C,Nold J,et al.Narrow linewidth,single mode 3 kW average power from a directly diode pumped ytterbium-doped low NA fiber amplifier[J].Optics Express,2016,(8):14-24.

[4] Huang Z,Liang X,Li C,et al.Spectral broadening in high-power Yb-doped fiber lasers employing narrow-linewidthmultilongitudinal-mode oscillators[J].Applied Optics,2016,55(2):297.

[5] ZHANG Dayong,HAO Jinping,ZHU Chen,et al.Review on spectral beam combining of fiber lasers[J].Laser & Infrared,2016,46(5):517-521.(in Chinese)

张大勇,郝金坪,朱辰,等.光纤激光器光谱合束技术综述[J].激光与红外,2016,46(5):517-521.

[6] MA Yi,YAN Hong,PENG Wanjing,et al.9.6 Kw common aperture spectral beam combination system based on multi-channel narrow-linewidth fiber lasers[J].Chinese J Lasers,2016，(9):55-61.(in Chinese)

马毅,颜宏,彭万敬,等.基于多路窄线宽光纤激光的9.6 kW共孔径光谱合成光源[J].中国激光,2016，(9):55-61.

[7] Turitsyn S K,BednyakovaA E,Fedoruk M P,et al.Modeling of CW Yb-doped fiber lasers with highly nonlinear cavity dynamics[J].Optics Express,2011,19(9):8394-8405.

[8] Kablukov S I,Zlobina E A,Podivilov E V,et al.Output spectrum of Yb-doped fiber lasers[J].Optics Letters,2012,37(13):2508-2510.

[9] Kablukov S I,Zlobina E A,Podivilov E V,et al.Modeling and measurement of ytterbium fiber laser generation spectrum[C]// SPIE Photonics Europe.International Society for Optics and Photonics,2012.

[10] LIU Wei,XIAO Hu,WANG Xialin,et al.Study on output spectral characteristic of Yb-Doped fiber lasers[J].Chinese J Lasers,2013,(9):34-38.(in Chinese)

刘伟,肖虎,王小林,等.掺Yb光纤激光器输出光谱特性研究[J].中国激光,2013,(9):34-38.

[11] Agrawal,Govind.Nonlinear Fiber Optics[M].5th ed.Academic Press,2013.

[12] CHEN Jiabi,PENG Runling.Laser principle and application,[M].2nd.ed.Beijing:Publishing House of Electronics Industry,2008.(in Chinese)

陈家璧,彭润玲.激光原理及应用.[M].2版.北京：电子工业出版社,2008.

[13] Manassah J T.Self-phase modulation of incoherent light[J].Optics Letters,1990,16(21):1638-1640.