國產(chǎn)光纖實(shí)現(xiàn)同帶抽運(yùn)3000W激光輸出?

王澤暉 肖起榕 王雪嬌 衣永青 龐璐 潘蓉 黃昱升田佳丁 李丹 閆平 鞏馬理

1)(清華大學(xué)精密儀器系,北京 100084)

2)(中國電子科技集團(tuán)公司第四十六研究所,天津 300220)

1 引 言

摻鐿光纖激光器(ytterbium-doped fi ber lasers,YDFLs)因其轉(zhuǎn)換效率高、亮度高、光束質(zhì)量好而在工業(yè)、科研等領(lǐng)域應(yīng)用廣泛.以激光二極管(LD)作為抽運(yùn)源,雙包層摻鐿光纖作為增益介質(zhì),采用主控振蕩器功率放大器(master oscillator power ampli fi er,MOPA)結(jié)構(gòu)的光纖激光器,已經(jīng)可以實(shí)現(xiàn)千瓦量級(jí)的激光輸出[1?5],最高可以實(shí)現(xiàn)大于4 kW的近衍射極限輸出[6].與傳統(tǒng)的LD抽運(yùn)源相比,YDFL可以實(shí)現(xiàn)更高亮度的抽運(yùn)功率注入,可以進(jìn)一步提升光纖激光器抽運(yùn)效率與輸出功率.同時(shí),使用1000—1030 nm的YDFL作為抽運(yùn)源,更加接近輸出波長,可以有效地減少量子虧損,降低光纖中的熱功率,實(shí)現(xiàn)更好的熱管理與控制[7?12].因此,使用YDFL作為抽運(yùn)源,采用同帶抽運(yùn)的方式可以實(shí)現(xiàn)更高功率的激光輸出,成為目前高功率光纖激光器的主要發(fā)展方向之一.需要指出的是,增益光纖在1018 nm附近的吸收系數(shù)遠(yuǎn)小于976 nm的吸收系數(shù),為充分吸收抽運(yùn)光,通常需要較長的增益光纖.增益光纖長度增長,可引起受激拉曼散射等非線性現(xiàn)象[13],為此對(duì)激光器的設(shè)計(jì)提出了更高要求.

2009年,IPG公司基于同帶抽運(yùn)的方式,實(shí)現(xiàn)了單纖輸出10 kW[14],隨后,IPG公司又于2012年實(shí)現(xiàn)了單纖17 kW的激光輸出[15].2015年,國防科技大學(xué)Xiao等[16]采用同帶抽運(yùn)的方式,利用制備的6臺(tái)476 W@1018 nm的光纖激光器作為抽運(yùn)源,成功實(shí)現(xiàn)了2140 W的激光輸出,輸出波長為1090 nm,斜效率為86.9%,光束質(zhì)量為M2約為1.9.2016年,西安光學(xué)精密機(jī)械研究所Yang等[17]以同帶抽運(yùn)的方式將16.5 W的種子光(@1080 nm)放大至185 W,光-光效率為85%.2017年,國防科技大學(xué)Zhou等[18]報(bào)道了基于24路1018 nm的YDFL抽運(yùn)源,實(shí)現(xiàn)總功率3.5 kW的激光輸出,斜效率為87.5%,其輸出光譜可以看到一階受激拉曼光.在使用國產(chǎn)光纖方面,2015年王巖山等[19]基于15/130μm國產(chǎn)光纖,制備1018 nm同帶抽運(yùn)源,激光輸出功率大于150 W.迄今為止,未見基于國產(chǎn)光纖的同帶抽運(yùn)光纖激光放大的報(bào)道.

本文采用中國電子科技集團(tuán)公司第四十六研究所(以下簡稱中國電科46所)制備的25/250μm雙包層摻鐿光纖作為MOPA結(jié)構(gòu)放大級(jí)的增益光纖,實(shí)現(xiàn)了基于同帶抽運(yùn),超過3 kW的激光功率輸出.

2 實(shí)驗(yàn)裝置

實(shí)驗(yàn)裝置采用MOPA結(jié)構(gòu),全光纖化設(shè)計(jì),如圖1所示.種子源是輸出波長為1080 nm的光纖振蕩器,尾纖尺寸為20/400μm.種子源后接包層光泄漏器(cladding light stripper,CLS),泄漏器光纖尺寸為20/400μm,與增益光纖相同.濾去殘余包層光后,纖芯中的種子光經(jīng)(2+1)×1合束器的信號(hào)臂注入放大級(jí).(2+1)×1合束器的信號(hào)臂為雙包層光纖,其纖芯與內(nèi)包層直徑為20/130μm,抽運(yùn)臂為多模光纖,其纖芯與包層直徑為105/125μm,輸出纖為雙包層光纖,其纖芯與內(nèi)包層直徑為25/250μm.種子源增益光纖的內(nèi)包層直徑大于合束器信號(hào)臂光纖的內(nèi)包層直徑,需用氫氟酸(HF)腐蝕增益光纖,使二者內(nèi)包層尺寸相同,再進(jìn)行熔接.由于在合束器前加入了包層光泄漏器,同時(shí)焊點(diǎn)兩端光纖纖芯尺寸相同,因此對(duì)增益光纖包層進(jìn)行腐蝕不會(huì)造成腐蝕區(qū)、焊點(diǎn)的局部過熱現(xiàn)象.

圖1 同帶抽運(yùn)光纖激光器原理圖Fig.1.Schematic diagram of the tandem pump fi ber laser.

放大級(jí)如圖1所示,抽運(yùn)源為14臺(tái)輸出功率約為260 W的1018 nm YDFL,將其分為兩組,每組中的7臺(tái)激光器由7×1功率耦合器合束后(如圖1中紅框所示),經(jīng)100/120/360μm的多模光纖(數(shù)值孔徑NA=0.2)輸出,總輸出功率約為1800 W.抽運(yùn)源輸出尾纖直接與合束器抽運(yùn)臂進(jìn)行熔接.放大級(jí)中的增益光纖采用中國電科46所制備的八邊形摻鐿光纖,其纖芯直徑為25μm,數(shù)值孔徑為0.068,內(nèi)包層直徑為250μm,數(shù)值孔徑為0.472,光纖在1018 nm處的吸收系數(shù)為0.41 dB/m.增益光纖前端與合束器的輸出纖(25/250μm)熔接,尾端與QBH輸出頭熔接,經(jīng)1018 nm/1080 nm二色鏡反射后輸出,實(shí)驗(yàn)中的二色鏡對(duì)1080 nm波段的光高反,對(duì)1018 nm波段的光高透.引入QBH可有效避免反回光對(duì)種子源、抽運(yùn)源的損傷與破壞,二色鏡可以濾除殘余抽運(yùn)光.

3 數(shù)值分析

考慮增益光纖過長極易引起受激拉曼散射,需要對(duì)增益光纖進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì),建立如下所示的速率方程組[20,21]:

式中,角標(biāo)p,s,r分別代表抽運(yùn)光、信號(hào)光和一階拉曼光,+,?分別代表前向與后向的光信號(hào);Γ為填充因子;σa為吸收截面;σe為發(fā)射截面;h為普朗克常數(shù);c為光速;λ為波長;τ為Yb粒子上能級(jí)的壽命;Ac為纖芯面積;Aeff為等效纖芯面積;N為粒子數(shù)密度;gr為拉曼增益系數(shù),其值為0.5×10?13;α為背景損耗,抽運(yùn)光、信號(hào)光、拉曼光損耗分別為4.04,14.3,20 dB/km;N2(z)表示光纖上能級(jí)粒子數(shù)密度;Δf為一階拉曼散射光波長處的自發(fā)輻射譜寬,其值為0.25 THz;Pspon表示為光纖中沿一個(gè)方向上單個(gè)偏振態(tài)的自發(fā)拉曼噪聲,表達(dá)式為[22]

KB為玻爾茲曼常數(shù),ν為頻率,T為溫度,取300 K.

圖2顯示了當(dāng)抽運(yùn)功率為3500 W時(shí),放大器中抽運(yùn)光、信號(hào)光、拉曼光的功率分布情況.將圖2分為三個(gè)部分,第一部分為光纖小于40 m,信號(hào)光功率隨光纖長度增長而升高;第二部分為光纖長度介于40—60 m之間,信號(hào)光功率趨于飽和,功率增長較慢,此時(shí)尚未達(dá)到拉曼閾值;第三部分為光纖長度大于60 m,光功率達(dá)到拉曼閾值,信號(hào)光功率將不再增加,能量轉(zhuǎn)移到一階拉曼光上.為避免產(chǎn)生非線性效應(yīng),同時(shí)有效的利用增益,減小信號(hào)光損耗,將增益光纖長度優(yōu)化至40 m,此時(shí)無受激拉曼散射現(xiàn)象,仿真輸出光功率為3.13 kW.

圖2 激光放大器中抽運(yùn)光、信號(hào)光、拉曼光功率分布圖Fig.2.Calculated power distribution of pump,signal and Raman laser along the fi ber.

4 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

實(shí)驗(yàn)中使用的增益光纖是中國電科46所采用化學(xué)氣相沉積(modi fi ed chemical vapor deposition,MCVD)結(jié)合氣相-液相復(fù)合摻雜工藝制備的針對(duì)1018 nm高吸收的雙包層摻鐿光纖.其光纖的制備過程為:1)在較高溫度下(1800—2100°C)于反應(yīng)管內(nèi)壁沉積若干層(5—10層)阻擋層,阻擋層主要成分為SiO2,目的是阻止水分與雜質(zhì)擴(kuò)散到芯層,阻擋層與石英管共同作為預(yù)制棒的包層;2)在較低溫度下(1200—1500°C)沉積疏松層,疏松層的主要成分為SiO2,Al2O3,P2O5;3)將含有Yb3+離子的溶液注入反應(yīng)管中浸泡疏松層,待Yb3+離子充分?jǐn)U散到疏松層的空隙當(dāng)中后,將剩余溶液取出,并對(duì)疏松層進(jìn)行脫水處理;4)在高溫下將疏松層玻璃化;5)重復(fù)步驟2)—4)若干次;6)在高溫下將中空反應(yīng)管縮成實(shí)心預(yù)制棒;7)對(duì)摻雜預(yù)制棒進(jìn)行套管、磨八角形等加工處理;8)利用光纖拉絲塔將八角形預(yù)制棒拉制成光纖并進(jìn)行涂覆.

同時(shí),中國電科46所對(duì)上述工藝進(jìn)行了技術(shù)改進(jìn)和創(chuàng)新,包括:1)在沉積疏松層時(shí),通過優(yōu)化沉積溫度、熱源移動(dòng)速度、原料流量等參數(shù),有效解決了光纖預(yù)制棒疏松芯層中微孔大小尺寸差距大、分布不均勻的技術(shù)難題;2)采用氣相-液相共摻技術(shù),保證了[AlO]四面體在基質(zhì)中的分布均勻性,相比于[SiO],[AlO]擁有負(fù)電價(jià),要吸附陽離子以保持電中性,間接提高了Yb3+離子的分布均勻性;3)結(jié)合多層疏松芯層沉積技術(shù),進(jìn)一步提高了Yb3+離子的摻雜均勻性,并有效解決了高濃度摻Y(jié)b3+離子時(shí)出現(xiàn)的析晶問題;4)通過調(diào)節(jié)雙包層摻鐿光纖纖芯中共摻劑鋁、磷元素的摻雜比例,增加了Yb3+離子周圍環(huán)境的非對(duì)稱性,拓寬了光纖中Yb3+離子的吸收截面;5)在預(yù)制棒加工時(shí),改善了預(yù)制棒夾持方式,并優(yōu)化了進(jìn)給速度、磨片旋轉(zhuǎn)速度等參數(shù),有效提高了光纖預(yù)制棒八角形的加工精度,并有效降低了預(yù)制棒表面微缺陷的數(shù)量.

放大級(jí)中的增益光纖長度優(yōu)化為40 m,增益光纖對(duì)1018 nm抽運(yùn)光的總吸收為16 dB,抽運(yùn)光基本吸收完成.放大級(jí)輸出功率如圖3所示,輸出激光功率隨著抽運(yùn)光功率的提高而線性增強(qiáng),最高的輸出功率為3079 W,此時(shí)抽運(yùn)輸入功率為3511 W,斜效率為85.9%.圖4為在最高輸出功率下的光譜圖,輸出激光的中心波長為1080.2 nm,3 dB帶寬為1.4 nm.從光譜上可以看到,在1130 nm附近沒有受激拉曼散射現(xiàn)象發(fā)生,激光功率未達(dá)到受激拉曼散射閾值,與仿真結(jié)果一致.實(shí)驗(yàn)中種子光的功率為67.8 W,輸出光譜如圖4中內(nèi)嵌圖所示,3 dB帶寬為0.9 nm.實(shí)驗(yàn)中使用PRIMES生產(chǎn)的激光光束質(zhì)量分析儀來測(cè)量輸出激光的M2因子.當(dāng)抽運(yùn)功率為600 W時(shí),M2約為2.14,測(cè)量結(jié)果如圖5所示.

圖3 光纖輸出功率隨抽運(yùn)功率的變化Fig.3.Curve of output power versus pump power.

圖4 輸出激光光譜(內(nèi)嵌圖為種子光光譜)Fig.4.Spectrum of output laser(seed spectrum inset).

圖6所示為中國電科46所制備的25/250μm雙包層光纖在顯微鏡下觀測(cè)的橫截面,其八邊形形狀比較規(guī)則,對(duì)邊間距誤差小于1μm,纖芯內(nèi)包層同心度誤差小于1.5μm.圖7為放大器主焊點(diǎn)的顯微鏡圖像,無明顯軸向偏差.與文獻(xiàn)[23]進(jìn)行對(duì)比并結(jié)合上述的實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證,說明國產(chǎn)光纖的制作技術(shù)日趨成熟,已經(jīng)具備承受高功率輸出的能力.

圖5 光束測(cè)量結(jié)果Fig.5.Beam quality measurement results.

圖6 國產(chǎn)增益光纖截面圖Fig.6.Cross section of the domestic gain fi ber.

圖7 國產(chǎn)增益光纖主焊點(diǎn)顯微鏡像Fig.7.Microscopic image of the splicing joint of the domestic gain fi ber(for both x and y direction).

與直接抽運(yùn)相比,同帶抽運(yùn)具有量子虧損較小、易于熱管理的優(yōu)勢(shì)[24].下面基于速率方程與熱傳導(dǎo)方程[25?28],分別就976 nm直接抽運(yùn)與1018 nm同帶抽運(yùn)對(duì)光纖內(nèi)熱功率密度分布進(jìn)行理論計(jì)算,其中熱功率密度Q定義為纖芯中單位體積內(nèi)產(chǎn)生的熱功率,即

其中,Ac為纖芯面積,PQ(z)為產(chǎn)熱功率分布函數(shù).設(shè)η為量子效率,則在dz長度內(nèi)產(chǎn)熱功率可以表示為

仿真結(jié)果如圖8所示,抽運(yùn)方式為前向抽運(yùn)3500 W,增益光纖均為25/250μm摻Y(jié)b光纖,增益光纖在1018 nm處的吸收系數(shù)為0.41 dB/m,在976 nm處的吸收系數(shù)為4.8 dB/m.與直接抽運(yùn)相比,同帶抽運(yùn)中熱功率密度要小接近兩個(gè)數(shù)量級(jí),同時(shí),熱功率的分布更加均勻,利于系統(tǒng)的熱管理,但付出的代價(jià)是需要更長的光纖.綜上,因在熱管理上優(yōu)勢(shì)明顯,同帶抽運(yùn)將會(huì)是實(shí)現(xiàn)更高功率激光輸出的有效技術(shù)途徑.

圖8 直接抽運(yùn)與同帶抽運(yùn)熱功率密度分布Fig.8.Calculated heat power density distribution of direct and tandem pump along the fi ber.

5 總 結(jié)

同帶抽運(yùn)是實(shí)現(xiàn)高功率光纖激光器的有效途徑,也是目前研究的一大熱點(diǎn).本文基于同帶抽運(yùn)方式,放大級(jí)增益光纖采用中國電子科技集團(tuán)公司第四十六研究所制備的25/250μm摻鐿光纖,當(dāng)種子光功率為67.8 W、抽運(yùn)總功率為3511 W時(shí),獲得了超過3 kW的激光輸出,斜效率為85.9%,M2約為2.14,中心波長為1080.2 nm,3 dB帶寬為1.4 nm.同時(shí),對(duì)同帶抽運(yùn)激光放大器進(jìn)行了理論數(shù)值分析,數(shù)值分析結(jié)果與實(shí)驗(yàn)結(jié)果相近.此外,從產(chǎn)熱的角度,對(duì)同帶抽運(yùn)以及直接抽運(yùn)進(jìn)行了分析比較,說明了同帶抽運(yùn)方式在熱管理上的巨大優(yōu)勢(shì).進(jìn)一步提高抽運(yùn)功率,同時(shí)優(yōu)化增益光纖長度,改良散熱方式,國產(chǎn)光纖有望實(shí)現(xiàn)更高功率的激光輸出.

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