分布式抽運連續(xù)光纖激光器研究

張雪霞， 葛廷武， 丁 星， 譚琦瑞， 堯 舜， 王智勇

(北京工業(yè)大學 激光工程研究院， 北京 100124)

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分布式抽運連續(xù)光纖激光器研究

張雪霞， 葛廷武*， 丁 星， 譚琦瑞， 堯 舜， 王智勇

(北京工業(yè)大學 激光工程研究院， 北京 100124)

為了避免高功率光纖激光器中光纖端面出現(xiàn)熱效應問題，依據(jù)多點級聯(lián)結構的耦合器，對分布式抽運的光纖激光器進行了研究。首先，介紹了實驗室自主研制的級聯(lián)耦合器。然后，分析了耦合器插入對光纖激光器的影響。最后，選用自制的耦合器搭建了分布式抽運的光纖激光器。實驗結果表明：對耦合器插入損耗的研究，能夠促進高功率級聯(lián)耦合器的實現(xiàn)。在光纖激光器結構中，975 nm泵浦功率注入1.1 kW時，1 080 nm激光功率輸出為770 W，光-光轉換效率為77%。在主控振蕩功率放大結構中，激光功率輸出為635 W，放大級的光-光轉換效率為78%。分布式抽運方式可以使泵浦光多點注入，避免了熱量的集中，能夠獲得千瓦級的激光功率輸出。

光纖激光器； 激光振蕩； 主控振蕩功率放大； 級聯(lián)耦合器； 高功率

1 引 言

但是，有研究指出，單模寬譜光纖的輸出功率極限約為4. 2 kW[11]。而分布式的結構可以使泵浦光多點注入，能夠解決光纖中熱聚焦的問題[12]。目前，國內外對多點抽運方式進行了研究報道。2003年，麥克馬斯特大學對kW級光纖激光器的泵浦方式進行了研究[13]。2003年，上海光機所理論研究了三點抽運光纖激光器的激光分配和功率分布[14]。2007年，北京航空航天大學對多點抽運的雙包層光纖激光器進行了分析和優(yōu)化[15-16]。2014年，重慶師范大學對摻Yb3+雙包層光纖激光器的發(fā)展進行了調研和綜述[17]。2014年，國防科技大學對分布式側面抽運光纖激光器和端面抽運光纖激光器進行了對比：在分布式側面耦合包層抽運光纖激光器中，抽運光分布均勻，光纖兩端的熱負荷較小，激光產(chǎn)生的線性度很好，熱量能夠分散到整根光纖[18]。2015年，北京交通大學采用打靶的方式對多點抽運進行了理論模擬和分析[19]。同年，南京郵電大學對側面均勻泵浦方式中光纖激光器的閾值特性進行了分析[20]。北京工業(yè)大學激光工程研究院對多點抽運的耦合器也進行了研制[21]。

本文結合自主研制的級聯(lián)耦合器，實驗研究了級聯(lián)耦合器插入對光纖激光器的影響，搭建了分布式抽運的光纖激光器。當975 nm泵浦功率注入為1.1 kW時，1 080 nm激光功率輸出為770 W，光-光轉換效率為70%；在主控振蕩功率放大結構中，注入975 nm泵浦光功率為546 W時，種子光功率由206 W放大到635 W，放大級的光-光轉換效率為78%。激光器能夠在最大功率輸出穩(wěn)定運行。

2 耦合器

2.1 耦合器結構

采用氫氧焰拉錐的方式，實驗室自主研制的級聯(lián)耦合器如圖1所示。耦合器的主光纖的纖芯直徑為20/400 μm，泵浦光纖的纖芯/包層直徑為105/125 μm，數(shù)值孔徑(Numerical aperture，NA)為0.22。

圖1 級聯(lián)耦合器

2.2 耦合器對激光器的影響

在級聯(lián)耦合器中，插入點的引入會使光纖包層發(fā)生形變，影響光波導結構，導致部分信號光泄漏到包層中，影響激光器的單模功率輸出。實驗中我們選用不同損耗的耦合器進行了研究。

圖2為實驗結構裝置。一對光柵構成激光器諧振腔鏡，光柵刻寫在20/400 μm雙包層無源光纖上，高反射光柵(High reflection fiber Bragg grating, HR FBG)對1 080 nm波長激光的反射率為98%，透射光柵(High transmission fiber Bragg grating, HT FBG)對1 080 nm波長激光的反射率為10%。抽運光源選用3支中心輸出波長975 nm、輸出尾纖105/125 μm、NA值0.22、最大輸出功率110 W的激光二極管(Laser diode, LD)。增益介質為纖芯/包層直徑分別為20/400 μm、NA值分別為0.06/0.46的摻鐿雙包層光纖，該光纖對975 nm泵浦光的吸收系數(shù)為1.26 dB/m。

圖2 實驗結構裝置

選用不同信號光泄露的耦合器進行實驗。為了減小熔接誤差，每組數(shù)據(jù)進行多次熔接測試，然后取平均值。在腔內沒有加入剝離器時，激光功率與泵浦功率的變化曲線如圖3所示。當975 nm泵浦功率注入為321 W時，1 080 nm激光功率輸出為264 W，光-光轉換效率為82%。

施工單位在進行施工之前，還需要再一次進行該施工路段的測量。本次主要針對導線點、加密點和水準點進行測量。嚴格按照標準測量其是否具有施工的條件，在此過程中可以使用全站儀開展中線測量法和極坐標法。還要對整個施工路面是否平整進行測量，且通過安裝自動安平水準儀對路基的高度進行控制。

圖3 輸出功率與泵浦功率的關系

由于泵浦功率和有源光纖保持不變，所以當沒有剝離器時，激光器的功率輸出可以認為是一致的。當激光器中加入剝離器后，由于耦合器的插入損耗不一樣，激光模式的分布被改變，導致剝離后的功率輸出存在差異。圖4描述了輸出功率與耦合器損耗的關系曲線。從圖中可以發(fā)現(xiàn)：當耦合器的信號光泄漏為10 dB時，激光器功率輸出為231.5 W，光-光轉換效率為72%；當信號光泄露大于10 dB時，輸出功率開始迅速下降；當耦合器的信號光泄露為18.4 dB時，激光器的功率輸出為172.7 W，光-光轉換效率為54%，嚴重影響了激光器的功率輸出。

圖4 激光器功率輸出隨耦合器插入損耗的變化關系

3 激光器實驗

在耦合器測試的基礎上，我們選用兩組級聯(lián)耦合器進行了光纖激光器和放大器的實驗研究。

3.1 激光振蕩器

光纖激光器的具體結構如圖5所示。反射率98%的HR FBG 和反射率10%的HT FBG構成諧振腔鏡。10個輸出功率110 W、波長975 nm的LD作為泵浦源，通過自主研制的級聯(lián)耦合器，注入纖芯/包層直徑為20/400 μm、NA值為0.06/0.46的摻Yb光纖，光纖長度為20 m。實驗中級聯(lián)耦合器的泵浦效率分別為96%和93%，對信號光的泄露分別是0.13 dB和0.22 dB。

圖5 雙向抽運光纖激光振蕩器結構示意圖

975 nm泵浦功率注入為1.1 kW時，1 080 nm激光功率輸出為906 W。在輸出端附件加入剝離器后，1 080 nm 近單模激光功率輸出為770 W，激光器的光-光轉換效率為71%。耦合器是級聯(lián)結構，雖然對信號光的泄露比較小，但是存在泵浦傳輸損耗，影響泵浦光的有效吸收。泵浦光傳輸損耗限制了級聯(lián)耦合器的實現(xiàn)，目前我們采用氫氧焰拉錐的方式，可以成功實現(xiàn)5個級聯(lián)。

從圖6的功率輸出曲線中可以發(fā)現(xiàn)：功率輸出具有良好的線性關系，光纖中沒有出現(xiàn)熱損傷現(xiàn)象，若增加泵浦功率會得到更高功率的激光輸出。

圖6 激光功率輸出與抽運光功率的關系

Fig.6 Output powervs. pumping power of the fiber laser

3.2 MOPA 結構

選用同樣的級聯(lián)耦合器，搭建了MOPA結構。振蕩級選用前向泵浦的方式，反射率98%的HR FBG和反射率10%的HT FBG構成諧振腔鏡。5個輸出功率為110 W、波長為975 nm的LD作為泵浦源，通過級聯(lián)耦合器注入長度為20 m、纖芯/包層直徑為20/400 μm、NA值為0.06/0.46的摻Yb光纖。種子光經(jīng)過級聯(lián)耦合器b和20 m摻鐿光纖進行功率放大。結構裝置如圖7所示。

圖7 光纖激光放大器的結構

當種子光功率為206 W、放大級LD注入功率為546 W時，種子功率放大到635 W，放大級的光-光轉換效率為78%，如圖8所示。在實驗過程中，激光器一直處于穩(wěn)定的工作狀態(tài)。

圖8 MOPA激光功率輸出與抽運光功率的關系

Fig.8 Output powervs. pumping power of the MOPA

4 實驗結果及分析

兩種結構的激光器實驗結果表明，級聯(lián)耦合器可以實現(xiàn)泵浦功率的擴展，解決激光器中熱量集中的問題。目前，本實驗室可以成功研制單點單個、5個耦合器的級聯(lián)，級聯(lián)耦合器的泵浦效率在95%以上，對信號光的泄露低于0.3 dB。在光纖激光器中，當975 nm泵浦功率注入為1.1 kW時，1 080 nm近單模激光功率輸出為770 W，光-光轉換效率為70%。在主控功率放大結構中，1 080 nm最高功率輸出為635 W，放大級的光-光轉換效率為78%。激光器在最高功率運行時，沒有出現(xiàn)熱損傷現(xiàn)象，功率輸出呈線性增加。本研究為實現(xiàn)單點多個耦合器級聯(lián)提供了實驗基礎。

5 結 論

根據(jù)目前高功率光纖激光器的熱效應問題，提出了分布式抽運的光纖激光器結構，研究了耦合器插入損耗對光纖激光器的影響，搭建了分布式抽運的光纖激光器和放大器。實驗結果表明：通過降低級聯(lián)耦合器泵浦傳輸損耗與信號插損，可以實現(xiàn)單點級聯(lián)、多點級聯(lián)的耦合器，獲得千瓦、萬瓦級的光纖激光器。

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張雪霞(1984-)，女，山東冠縣人，博士研究生，2011年于北京工業(yè)大學獲得碩士學位，主要從事高功率光纖激光器和光纖器件等方面的研究。

E-mail: zhangxuexia13@emails.bjut.edu.cn

葛廷武(1978-)，男，北京人，博士，助理研究員，2009年于北京郵電大學獲得博士學位，主要從事光纖激光器、光纖光學以及非線性光纖光學等方面的研究。

E-mail: getingwu@bjut.edu.cn

Study of Continuous Fiber Laser with Distributed Pump Structure

ZHANG Xue-xia, GE Ting-wu*, DING Xing, TAN Qi-rui, YAO Shun, WANG Zhi-yong

(InstituteofLaserEngineering,BeijingUniversityofTechnology,Beijing100124,China)*CorrespondingAuthor,E-mail:getingwu@bjut.edu.cn

In order to avoid the thermal effect of fiber-end in high power fiber laser, the fiber laser based on the multi-point cascaded was studied. First, the self-developed cascaded couplers were introduced. Then, the effect of the couplers insertion on the fiber laser was analyzed. Finally, the fiber laser and the master oscillator amplifier with the pumping distributed structure were built. Experimental results indicate that the research on the insertion loss of the coupler can promote the development of high power cascaded coupler. In the distributed fiber laser, the output power of 1 080 nm is 770 W with the pump power of 1.1 kW, and the optical to optical conversion efficiency is 77%. The output power of maser oscillator power amplifier structure is 635 W with the optical conversion efficiency is 78%. It can satisfy that the distributed pumping can solve the heat concentration in fiber laser, can achieve the kilowatt fiber lasers.

fiber laser; laser oscillation; MOPA; cascaded couplers; high power

1000-7032(2016)09-1071-05

2016-04-20；

2016-06-12

國家科學重大專項——工業(yè)用高功率全光纖激光器的開發(fā)(2010ZX04013-052)資助項目

TN245； TN248

A

10.3788/fgxb20163709.1071