掺镱有源光纤中Al3+浓度对高功率激光输出稳定性的影响研究

张俊逸 冯术娟 赵霞 刘礼华 周军

摘  要：掺镱有源光纤的抗光子暗化性能是影响高功率光纤激光器长期功率稳定性的重要因素，研究共掺杂离子浓度对掺镱有源光纤的抗光子暗化性能的影响对高功率掺镱光纤激光器的研发有重要的意义。该文采用自制的具有不同Al3+掺杂浓度的20/400掺镱有源光纤搭建1 500 W激光输出的光纤振荡器，通过15天的持续烤机实验，研究Al3+浓度对高功率掺镱有源光纤激光器长期功率稳定性的影响。研究表明，当Yb3+浓度为1.3 wt.%，Al3+浓度为3.6 wt.%时，其斜效率最高为71.8%，掺镱有源光纤经过15天、1 500 W烤机实验后，其激光输出功率无明显降低，未发生模式不稳定性，表现为优异的抗光子暗化性能。

关键词：掺镱有源光纤  高功率  光子暗化效应  烤机实验

中图分类号：TN248                          文献标识码：A文章编号：1672-3791（2020）11（a）-0009-06

Effect of Al3+ Concentration in Ytterbium Doped Active Fiber on High-Power Laser Output Stability

ZHANG Junyi1，2  FENG Shujuan1  ZHAO Xia1  LIU Lihua1  ZHOU Jun2

（1.Jiangsu Fasheng Optical Communication Technology Co.， Ltd.， Wuxi， Jiangsu Province， 214433  China; 2. Shanghai Optical Fiber Precision Machinery Research Institute， Shanghai， 200000  China）

Abstract： In this paper， we use 20/400 ytterbium doped active fiber with different Al3+ concentration to build a 1500W laser output fiber oscillator. Through 15 days of continuous baking machine experiment， we studied the influence of Al3+ concentration on the long-term power stability of high-power ytterbium doped active fiber laser. The results show that when Yb3+ concentration is 1.3 wt.% and Al3+ concentration is 3.6 wt.%， the highest skew efficiency is 71.8%. After 15 days of experiments in 1500 W toaster， the output power of Yb3+ - doped active fiber does not decrease significantly， and there is no mode instability.

Key Words： Ytterbium doped active fiber; High power; Photon darkening effect; Toaster experiment

光纤激光器由于其高光束质量、良好的散射性能、长使用寿命及免维护等优异性能，被广泛应用于工业加工、国防军事、医疗卫生、科学研究等领域。而高功率连续光纤激光器由于其极高的光束能量，更多地被应用于工业加工的焊接、切割及熔覆和国防军工的激光武器研发等方面[1]。掺镱有源光纤作为高功率掺镱有源光纤激光器中最为重要的增益介质，其研发及实际应用已得到了学者及光纤激光器厂家的广泛关注。

在掺镱有源光纤的实际应用中，除了考虑光纤的基本性能参数之外，更重要的是考量其实际的激光输出性能及在光纤激光器中长期稳定工作的可行性。特别是在高功率光纤激光器中，经过长时间高温及高功率密度激光输出的掺镱有源光纤极易产生光子暗化效应，即随着烤机实验的增长功率明显下降的情况[2]。为解决有源光纤光子暗化效应引起的功率下降问题，研究发现可通过添加共掺杂离子的方式[3]，以实现掺镱有源光纤抗光暗化能力的提高。

该文通过实验利用不同Al3+掺杂浓度的自制掺镱有源光纤搭建输出功率为1 500 W的光纤振荡器。区别于常规的光暗化诱导损耗测试方法，该文通过长达15天的烤机实验，直观判断掺镱有源光纤的抗光子暗化性能。研究掺镱有源光纤在高功率光纤激光器中长期稳定工作的可行性，对国产化掺镱有源光纤的研发有着重要的参考价值。

1  实验方案

该实验采用的掺镱有源光纤为江苏法尔胜光通信科技有限公司自行设计并采用改进的化学气相沉积法（Modified Chemical Vapor Deposition，MCVD）工艺制备并拉丝获得芯径为20μm，内包层为八边形结构，边对边尺寸为400 μm，外包层为低折射率涂料的20/400双包层掺镱有源光纤。通过电子探针（EPMA）分析各掺镱有源光纤芯层中掺杂Yb3+和Al3+的分布情况，设计具有相同的Yb3+掺杂浓度（1.3 wt.%）和不同的Al3+掺杂浓度（分别为3 wt.%、3.2 wt.%、3.4 wt.%、3.6 wt.%、3.8 wt.%）的摻镱有源光纤。通过IFA-100光纤分析仪，测试光纤芯层折射率分布情况，通过对掺杂氟离子浓度的调控保证不同掺杂浓度的掺镱有源光纤芯层折射率高度一致，具体掺镱光纤的参数见表1。

为评价掺镱有源光纤的激光性能及长期工作的功率稳定性，搭建1 500 W输出的双端泵浦光纤振荡器如图1所示，采用8个输出波长为915 nm，最高输出功率为300 W的高功率半导体激光器作为抽运源，泵浦光通过自制的前向和后向两个（6+1）×1的合束器，分别经过高反布拉格光栅（High Reflective Fiber Bragg Grating，HR FBG）和输出耦合光栅（Output Coupler Fiber Bragg Grating，OC FBG）合束后注入到20/400掺镱有源光纤包层，有源光纤被放置于弯曲半径最小为10 cm，最大为30 cm的光纤水冷板刻槽内。激光在掺镱有源光纤芯层产生并分别经过OC FBG、包层光剥除器（CLS）和光纤输出组件（QBH）后输出，被2 000 W功率计接受，记录其信号变化情况。其中HR FBG采用20/400无源光纤制作，其中心波长1 080 nm处的反射率为99%，其3dB带宽为4 nm，相对应的OC FBG在波长1 080 nm处的反射率约为5%，其3dB带宽为3 nm。包层光剥除器和光纤输出组件分别用于滤除包层中的激光和抑制端面反射，包层光滤除器同样采用20/400无源光纤制作。上述所有器件均放置于接通水冷机的水冷板上保证足够的散热，以保证激光器持续稳定输出。

利用该光纤激光器结构，分别评价5种不同Al3+掺杂浓度的掺镱有源光纤激光输出功率随着泵浦功率的增加情况，及其在15天的1 500 W激光输出的烤机实验期间功率的变化情况。测试光纤在1 200 nm位置的芯层损耗变化情况，以研究Al3+浓度对掺镱有源光纤光子暗化效应的影响规律。

2  实验结果与分析

通过EPMA测试，分析了不同掺杂浓度的掺镱有源光纤中Al3+浓度的分布情况，如图2所示。从图中可以看出，光纤预制棒制备时由于受高温塌缩的影响，芯层中心位置的Al3+浓度与靠两侧的Al3+浓度比较略有下降，但沿径向的整体浓度分布仍保持较为平整的状态，无明显的波动。不同Al3+掺杂含量从平均3.0 wt.%逐步增加至3.8 wt.%。

根据IFA-100光纤分析仪的测试，具有不同Al3+掺杂浓度的掺镱有源光纤其折射率剖面如图3所示。从图中可以看出，各光纤的折射率波动均在±0.000 2。较小的折射率波动保障了光纤的模式及模场的稳定，有效提升了掺镱有源光纤功率及光束质量。通过对光纤芯层掺氟浓度的调整，不同Al3+浓度的光纤其芯层折射率高度及波动情况基本保持一致，这有利于将光纤折射率及模场对激光器性能的影响降至最低。

依据光纤激光器结构搭建测试的不同掺杂浓度的有源光纤，其泵浦功率与最终激光输出功率曲线如图4所示。其在17 A的电流下，激光输出的功率及对应的斜效率如图5所示。从图中可以看出，随着Al3+掺杂浓度的提升，输出功率和斜效率呈现先增加后降低的趋势。当泵浦功率为2 337 W（工作电源电流为17 A）时，最低输出功率1 530 W及最小斜效率66.43%出现在3.0 wt.%Al3+的掺镱有源光纤中，而含有3.6 wt.%Al3+的掺镱有源光纤其最高功率达到1 641 W，最大斜效率达到71.82%。掺镱光纤中Al3+的掺杂能有效提高Yb3+的分散性，减少其团簇，抑制激发态Yb3+间能量的传递。而Yb3+团簇的减少，反映在光纤性能参数上则主要表现为光纤芯层损耗的降低。较低的光纤损耗能有效降低1 080 nm激光在芯层的发热，提高光纤的激光输出效率。因此当Al3+浓度不小于3.6 wt.%（Al/Yb质量百分比不小于2.77）时，掺镱有源光纤的损耗最低约为3 dB/km左右。在相同泵浦条件下，YDF-3Al、YDF-3.2Al及YDF-3.4Al光纤随着损耗的降低，Yb3+的分散性逐步提升，其斜效率也随之增加。当Al3+浓度进一步提升时，Al3+对Yb3+的分散作用逐步降低，在Al3+浓度在3.6 wt.%和3.8 wt.%时，斜效率分别为71.8%和71.1%，激光输出功率并无明显的变化（功率的变化是由熔接及功率计误差造成的，并不能断定Al3+浓度的进一步升高就会造成掺镱有源光纤斜效率的下降）。

15天1 500 W以上的高功率烤机实验结果如图6所示。经过长达15天的烤机实验，激光输出功率下降比例随着Al3+浓度的增加呈现先增加后趋于平稳的趋势。在3.0 wt.%的Al3+浓度的条件下，功率下降了8.7%，在3.2 wt.%的Al3+浓度的条件下，功率下降了6.1%，在3.4 wt.%的Al3+浓度的条件下，功率下降了2.1%，在3.6 wt.%的Al3+浓度的条件下，功率无明显变化（增长0.1%，功率的增长是由于功率计的误差波动造成的），在3.8 wt.%的Al3+浓度的条件下，功率下降0.2%。从15天烤机实验结果判断，同样的，随着掺杂Al3+浓度的提升，在Al3+浓度不小于3.6 wt.%时，掺镱有源光纤的抗光子暗化能力最强，经过长时间烤机，其激光输出功率并无明显下降，且未产生模式不稳定现象。

将经过15天烤机实验后的掺镱有源光纤测试其在1 200 nm位置的芯层损耗，并将其与因输出功率变化而引起的芯层损耗值增加进行比较。发现与不同Al3+浓度的掺镱有源光纤的抗光子暗化能力一致，实际芯层损耗的增加量随着Al3+浓度的增加呈现先增加后略微下降的趋势。在3.6 wt.%的Al3+浓度下，实际芯层损耗增加量最低为5.3dB/km。而Al3+浓度为3.8wt.%时，实际芯层损耗增加量提升至6.3 dB/km。

在掺镱有源光纤中添加Al3+对光纤会产生两方面的影响，一方面，Al3+的添加能有效提高Yb3+的分散性，减少其团簇，抑制激发态Yb3+间能量的传递;另一方面，Al3+的添加会导致掺镱有源光纤中缺陷的增加。在Al3+浓度较低时（<3.6 wt.%），随着Al3+浓度的提高，Al3+引起的Yb3+的分散起到了主导作用，这导致了光纤芯层损耗的降低及激光斜效率的逐步升高。但在Al3+浓度较高时（≥3.6 wt.%），随着Al3+浓度的逐步提高，Al3+增加导致的光纤缺陷提升占据了主导作用，这将会引起光纤芯层损耗的增加，斜效率的降低及抗光子暗化能力的下降。其中光纤的抗光子暗化能力对光纤缺陷的反应最为敏感。因此，在经过15天烤机实验后，Al3+浓度最高（3.8 wt.%）的掺镱有源光纤其芯层损耗的增加情况明显高于Al3+浓度为3.6 wt.%的有源光纤。

3  结语

随着掺杂Al3+浓度的提升，掺镱有源光纤在1 200 nm位置处的损耗呈现逐步降低的趋势，最小损耗出现在3.8 wt.%的Al3+浓度，而在振荡器1 500 W激光輸出时，其斜效率呈现先增加后略微降低的趋势，最高斜效率（71.8%）出现在Al3+浓度为3.6 wt.%时。当Al3+浓度在3.6 wt.%时，光纤经过15天1 500 W烤机实验后，其激光输出功率并无明显的降低，且其芯层损耗的增加量仅为5.3 dB/km，该光纤具有优异的抗光子暗化性能。因此，在掺镱有源光纤中添加适量的Al3+（3.6 wt.%）能有效提高光纤的抗光子暗化性能。

参考文献

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[2] 陈瑰，侯超奇，郭海涛，等.用于高功率系统的掺镱石英光纤研究进展及发展趋势[J].光子学报，2019，48（11）：140-149.

[3] 谢封侯.Research Progress on Photodarkening of Yb-Doped Fiber—Sol-Gel Method to Suppress Photodarkening[J].Material Sciences，2017，7（6）：567-575.

[4] 张俊逸，冯术娟，卞新海，等.高功率掺镱有源光纤研究及发展[J].现代传输，2019（3）：41-43.

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[6] 王小林，陶汝茂，杨保来，等.掺镱全光纤激光振荡器横向模式不稳定与受激拉曼散射的关系[J].中国激光，2018，45（8）：49-55.