单谐振腔光纤激光器输出特性优化实验研究

张培培,张 鹏,梁小红

(中国电子科技集团公司第四十六研究所,天津 300220)

1 引 言

光纤激光器以其转换效率高、光束质量好、系统结构简单紧凑、运作寿命长、性能稳定可靠等诸多优势被广泛应用在工业加工、军事、医疗、通信等领域。近几年,随着双包层光纤制备技术、包层泵浦技术以及关键光纤元器件的研究工作取得突破性进展,光纤激光器的输出功率水平不断得到提高。国外,德国耶鲁大学、美国JDSU公司、英国的SPI公司及日本的Fujikura公司等相继实现了千瓦以上的功率输出[1-3],基于同带泵浦技术和分布式侧面耦合技术,美国IPG公司分别在2009年和2012年实现了单纤单模9.6 kW和20 kW的光纤激光输出[4-5],这也是目前光纤激光器的最高水平。国内,国防科技大学、华中科技大学、清华大学、天津大学、上海光学精密机械与物理研究所、西安光纤精密机械研究所等研究单位以及武汉锐科、深圳创鑫、山东海富等激光器厂商都在高功率光纤激光器的研究领域取得了突破性进展,多家单位已经成功实现千瓦级以上的功率输出[6-12]。

众所周知,输出功率是描述激光器输出特性的一个重要参数,激光器的输出功率大小及其稳定性直接决定了它的性能和用途。因此,对激光器输出功率的影响因素进行研究具有重要意义。在激光器的实际搭建过程中,增益光纤的长度和弯曲半径的选择将直接影响谐振腔的效率,其中弯曲半径的选择同时还会影响激光器的模式选择和控制,进而影响光束质量的优劣,而激光器制冷温度的设定既会影响激光器的效率,同时也会对激光器整机的稳定性造成重要的影响。

本文基于单谐振腔结构,对结构紧凑、功率稳定的全光纤型连续光纤激光器进行了研究。比较分析了增益光纤长度、盘绕半径、制冷温度等不同条件对激光器输出功率和激光效率的影响,利用最优化的参数制作了光纤激光器整机,实现了中心波长1080.0 nm,光束质量M21.2,功率1135 W的连续激光输出,光-光转换效率84.2 %,斜率效率87.7 %。并且该激光器在72小时内的功率不稳定性仅为1.38 %。

2 实验装置

单谐振腔型高功率光纤激光器结构图如图1所示。采用18只凯普林带尾纤输出的半导体激光器(LD)作为泵浦源,LD最大输出功率为70 W,中心波长为976 nm,泵浦光经(18+1)×1合束器,以前向泵浦的方式耦合进激光谐振腔,合束器由朗光公司提供,单臂承受功率120 W,最大泵浦功率可达2160 W。采用中国电子科技集团第四十六所自行研制公司的20/400 μm掺镱双包层光纤(YDF)作为增益介质,该光纤在976 nm处的吸收系数为1.32 dB/m。选用ITF的双包层光纤光栅构成激光谐振腔的前后腔镜,光栅的尾纤为20/400 μm的无源双包层光纤(GDF),中心波长1080 nm,其中高反光栅的反射率>99 %,低反光栅的反射率为10 %。最后,采用自行研制的带QBH端帽结构的20/400 um传能光纤进行激光输出,并在输出端前通过包层功率剥离器(Cladding Power Stripper,CPS)对光纤包层中的残余泵浦光进行剥除。

图1 单谐振腔光纤激光器原理图

3 实验结果及分析

图2给出了在盘绕半径为6 cm,制冷温度为25 ℃条件下,增益光纤长度分别为12 m、16 m、20 m时,输出激光功率随泵浦功率的变化曲线。从图中可以看出,增益光纤长度为16 m时,激光器的光-光转换效率最高；增益光纤为12 m时,激光功率开始随着泵浦功率增加而增大,但最后因为增益光纤过短,泵浦光功率未被完全吸收而有剩余,因而导致激光转换效率下降,泄露点温度升高；而增益光纤为20 m时,光纤长度过度增加也不会带来激光功率的提升反而使激光输出效率降低,这主要是因为此时光纤长度长于最佳长度,过长的增益光纤会吸收掉部分信号激光因而造成输出功率和效率的降低。因此需要合理选择增益光纤的长度来获得最大的功率输出。

图2 不同增益光纤长度下激光输出功率情况对比图

在增益光纤长度为16 m,制冷温度为25 ℃时,不同盘绕半径条件下输出激光功率随泵浦功率的变化曲线如图3所示。从图中可以看出,在同一盘绕半径下,输出激光功率均随泵浦功率增加而迅速增大,但泵浦功率相同时,增益光纤盘绕半径越小,光纤吸收效率越高,因此导致输出激光功率越高。但是,增益光纤的盘绕半径不能一味地减小,若盘绕半径过小,会导致光纤的弯曲损耗增加,进而导致激光器的效率下降。

图3 不同盘绕半径下激光输出功率情况对比图

图4为镱纤长度16 m,盘绕半径6 cm时,不同制冷温度条件下输出激光功率随泵浦功率的变化曲线。由图中可以看出,20 ℃制冷条件下激光器的光-光转换效率最低,30 ℃时激光器的光-光转换效率在开始阶段比25 ℃时高,但最后却低于25 ℃时的光-光转换效率,这是因为30 ℃制冷条件下,泵浦LD的波长随着电流增加最先达到最佳吸收波长,但随着电流继续增加,LD波长继续漂移,偏离了最佳吸收波长,而25 ℃制冷条件下,LD的最佳吸收波长正好出现在最大电流时,因此导致25 ℃制冷条件时最高电流下的光-光转换效率要比30 ℃制冷条件时高。因此,合理选择激光器的制冷温度可以使得激光器的效率和稳定性得到进一步提升。

图4 不同制冷温度下激光输出功率情况对比图

选用最优化的实验参数,即镱纤长度16 m,盘绕半径6 cm,制冷温度25 ℃,制作了一台千瓦级激光器,激光器输出功率随泵浦功率的变化曲线如图5所示。从图中可以看出,随着泵浦功率的逐渐增大,激光功率几乎呈线性增长,并且最后也未出现饱和趋势,可以预测,若继续增大泵浦功率,激光输出功率还会进一步提高。最终在泵浦功率为1348.3 W时,获得的激光输出功率为1135 W,激光器的光-光转换效率为84.2 %,斜率效率为87.7 %。输出功率为1135 W时测得的激光器光束质量M2为1.2,激光光斑如图5中插图所示,该激光器实现了准单模输出。激光器最高输出功率时获得的激光光谱图如图6所示,从图中可以看出该激光器中心波长为1080.0 nm,976 nm波长处无多余泵浦光残留,说明泵光被完全吸收。并且在1130 nm波长附近也未出现新的峰值,说明激光器并未产生受激拉曼散射现象。

图5 激光输出功率随泵浦功率变化曲线图

图6 激光光谱图

考虑到增益光纤涂覆层长时间稳定工作的温度为80 ℃,实验采用了良好的制冷方法及散热处理方法,监测了不同激光输出功率情况下激光器系统中最高温度点(增益光纤YDF与高反光栅HR的熔接点)的温度特性,测试结果如图7所示。结果表明:在最高输出功率为1135 W 时,熔点的温度为37.5 ℃,表明光纤熔点温度在稳定工作范围内,通过增加抽运功率有望进一步提高激光器输出功率。

图7 激光器光纤熔点温度变化曲线

为进一步验证激光器的稳定性,监测了整机输出功率长时间下的稳定情况。经过72 h满功率连续激光输出,功率输出稳定性如图8所示,根据图8中数据,我们得到该激光器的功率不稳定性为1.38 %。实验结果证明该激光器工艺成熟,性能稳定可靠,可以满足工业化应用要求。

图8 激光器功率稳定性测试数据

4 结 论

基于单谐振腔结构,研究了增益光纤长度、盘绕半径、制冷温度等条件对激光输出功率的影响。结果表明,选用最优的参数,在同等水平的泵浦功率下,激光器可获得更高的输出功率及效率。最终在镱纤长度16 m,盘绕半径6 cm,制冷温度25 ℃条件下,搭建的光纤激光器获得了1135 W的功率输出,光束质量M2为1.2,中心波长1080.0 nm,光-光转换效率84.2 %,斜率效率87.7 %。该激光器光路温度安全可控,经过72 h满功率连续激光输出,功率不稳定性仅为1.38 %。使用本文实验装置搭建的激光器整机结构更加紧凑,维护更加简单,这极大的提高了其在激光切割、焊接、精密打孔等激光加工领域的实用性。