少模光纖放大器中的準(zhǔn)靜態(tài)模式不穩(wěn)定實驗研究?

羅雪雪 陶汝茂2)3) 劉志巍 史塵2)3) 張漢偉2)3)王小林2)3)? 周樸2)3) 許曉軍2)3)

1)(國防科技大學(xué)前沿交叉學(xué)科學(xué)院,長沙 410073)2)(國防科技大學(xué),高能激光技術(shù)湖南省重點實驗室,長沙 410073)3)(大功率光纖激光湖南省協(xié)同創(chuàng)新中心,長沙 410073)4)(中國電子科技集團有限公司第二十七研究所,鄭州 450047)

(2018年1月19日收到;2018年3月14日收到修改稿)

模式不穩(wěn)定發(fā)現(xiàn)于2010年,是影響高功率光纖激光器功率提升的重要限制因素.當(dāng)前模式不穩(wěn)定主要有兩類,一類是動態(tài)模式不穩(wěn)定,一類是準(zhǔn)靜態(tài)模式不穩(wěn)定.本文研究了纖芯/內(nèi)包層直徑為25μm/400μm摻鐿雙包層光纖后向抽運放大器中的模式不穩(wěn)定效應(yīng).通過對功率、光束質(zhì)量和時域數(shù)據(jù)的分析,發(fā)現(xiàn)在該放大器中出現(xiàn)了準(zhǔn)靜態(tài)模式不穩(wěn)定的現(xiàn)象,隨著抽運功率的增加,放大器輸出光束質(zhì)量逐步退化,而時域上沒有發(fā)現(xiàn)明顯的動態(tài)模式不穩(wěn)定特性.實驗上對不同種子功率下放大器的輸出特性進行研究,結(jié)果表明,通過提高種子激光功率可以較為有效地提高模式不穩(wěn)定閾值,在種子功率為528 W時,當(dāng)輸出功率大于3000 W,輸出激光效率沒有明顯下降.

1 引 言

自2010年以來,模式不穩(wěn)定效應(yīng)(mode instability,MI)已經(jīng)成為限制寬譜光纖激光器功率提升的重要因素之一[1?4].在MI出現(xiàn)之前,由于光纖中功率密度的不斷增加,進而引起如受激拉曼散射、受激布里淵散射等非線性效應(yīng)[5],嚴(yán)重影響光纖激光器的功率提升和性能穩(wěn)定性.大模場直徑光纖的出現(xiàn)在一定程度上減輕了非線性效應(yīng)的影響,但模場直徑越大,光纖中支持的傳導(dǎo)模式越多,導(dǎo)致光纖中易于發(fā)生MI,在不控制熱負(fù)載的情況下減短光纖長度將進一步降低MI閾值功率[6,7].實驗表明,當(dāng)輸出功率達到模式不穩(wěn)定閾值時,光束質(zhì)量突然退化[8?10],采用包層光濾除手段后,輸出效率降低,也會造成一定程度的功率下降[11?14],在時域上由于模式間的動態(tài)能量交換還能觀察到信號光的振幅起伏[15],嚴(yán)重阻礙了高功率光纖激光器功率的進一步提升.

對于MI產(chǎn)生的機理幾乎都認(rèn)為與長周期折射率光柵相關(guān),德國耶拿大學(xué)、克萊姆森大學(xué)等科研機構(gòu)的研究人員在建立模式不穩(wěn)定理論模型的過程中指出[16?21],光纖中的基模與激發(fā)的高階模光場間相互干涉,干涉光場對抽運光進行提取引起纖芯內(nèi)溫度的周期性分布,進而由熱光效應(yīng)的影響產(chǎn)生折射率光柵,光柵與干涉光場間存在某種原因?qū)е碌南嘁?兩者作用后能量將在基模與高階模之間動態(tài)轉(zhuǎn)換.2016年,美國空軍實驗室的Ward[22]和丹麥科技大學(xué)的L?gsgaard[23]分別理論預(yù)測了準(zhǔn)靜態(tài)的模式不穩(wěn)定效應(yīng).與動態(tài)MI不同的是,準(zhǔn)靜態(tài)MI在特定時間尺度上只有基模單向傳遞能量至高階模,且在光束質(zhì)量退化嚴(yán)重時時域上觀測不到起伏[10].他們認(rèn)為,相移產(chǎn)生的原因是光纖中逐漸加強的光子暗化效應(yīng)[24],由于該效應(yīng),光纖中的熱分布并不會隨著光場強度的變化即時改變,這就導(dǎo)致能量耦合過程發(fā)生在分鐘乃至小時的時間尺度上,表現(xiàn)出一種偽穩(wěn)態(tài)傳遞現(xiàn)象.

2017年,本課題組[25]在高功率雙包層摻鐿光纖振蕩器的實驗中觀察到了準(zhǔn)靜態(tài)的模式不穩(wěn)定效應(yīng).當(dāng)輸出功率超過1.64 kW時,輸出功率增長變慢,在對光斑形態(tài)的監(jiān)測中發(fā)現(xiàn)了由LP01模向高階模退化的現(xiàn)象,時域上也并未出現(xiàn)如動態(tài)MI的振蕩起伏.對比而言,通常激光器采用的近單模光纖支持的模式數(shù)量少,輸出的激光光束質(zhì)量較好,而實驗中采用的增益光纖纖芯為20μm,即可允許少數(shù)高階模傳導(dǎo),這是觀察到準(zhǔn)靜態(tài)MI的原因之一.鑒于目前對大纖芯直徑光纖中的模式不穩(wěn)定效應(yīng)實驗研究較少,之前的報道未對光束質(zhì)量等進行詳細研究[25],本文從纖芯直徑為25μm的少模光纖(支持4—5個模式)放大器出發(fā),詳細地從功率、時域、光束質(zhì)量等方面對高功率光纖放大器中的準(zhǔn)靜態(tài)模式不穩(wěn)定效應(yīng)進行研究.

2 實驗結(jié)構(gòu)

實驗結(jié)構(gòu)如圖1所示,整個實驗系統(tǒng)采用非保偏主振蕩功率放大結(jié)構(gòu).振蕩器中,采用9×1的功率合束器將9個中心波長為976 nm的光纖耦合半導(dǎo)體激光器(laser diode,LD)合為一束注入到諧振腔中.諧振腔由高反光柵(high reflector fiber Bragg gratings,HR-FBG)、增益光纖(large mode area ytterbium-doped fiber,LMAYDF)和低反射的輸出耦合光柵(output coupler fiber Bragg gratings,OC-FBG)構(gòu)成.其中HRFBG反射率為99%,OC-FBG反射率為10%,中心波長在1080 nm,增益光纖纖芯、包層直徑分別為20和400μm.振蕩器輸出激光經(jīng)過兩段纖芯直徑分別為20和25μm的傳能光纖(GDF)制作的包層光濾除(cladding light stripper,CLS)后,注入放大器中.其中第二段CLS上的20—25μm光纖熔接點,存在一定的纖芯尺寸失配.放大器采用后向抽運結(jié)構(gòu),通過(6+1)×1的后向合束器分別將抽運光和信號光注入到雙包層增益光纖中.雙包層摻鐿光纖的纖芯、內(nèi)包層直徑分別為25和400μm,在976 nm處包層吸收系數(shù)約為1.28 dB/m,總長度約13 m.放大器中采用976 nm穩(wěn)波長的LD,合束器單個抽運臂的注入功率大于600 W,總抽運功率可達3 kW以上.合束器信號輸入尾纖纖芯/內(nèi)包層直徑為25μm/400μm的光纖,輸出尾纖為纖芯/內(nèi)包層直徑25μm/250μm的光纖,抽運臂纖芯尺寸為220μm,內(nèi)包層尺寸為242μm.在合束器輸出端同樣接入一段傳能光纖進行包層光濾除,與光纖輸入臂尺寸為25μm/400μm的端帽(QBH)相匹配,以保證高質(zhì)量激光的輸出.

圖1 后向抽運結(jié)構(gòu)的少模光纖放大器Fig.1.Few-mode fiber amplifier using counter-pump configuration.

在實驗中,種子注入的輸出功率可以在30—703 W范圍內(nèi)連續(xù)可調(diào),光束質(zhì)量在1.2左右.種子激光經(jīng)過放大器后,由于包層光濾除的影響,使得實際輸出功率小于種子初始功率,如在種子初始功率690 W時,輸出功率528 W;而且,由于熔點失配,在沒有抽運光注入時,放大器輸出光束質(zhì)量在1.5左右.

3 實驗結(jié)果與分析

為了研究光纖放大器中的模式不穩(wěn)定效應(yīng),首先測量了在不同種子激光注入功率(86,234,381 W和528 W)下放大器輸出激光的功率變化,如圖2所示.未抽運經(jīng)放大器輸出的種子激光從86 W增加至528 W時,放大器輸出功率也呈線性增加,如在抽運功率1093 W時,86 W種子激光的輸出功率為1030 W,而528 W種子光對應(yīng)的輸出值為1340 W.從圖2中可以看到,對于不同大小的種子光功率,當(dāng)抽運功率增加到某一定值時,功率增長緩慢,光-光效率下降.比如,在種子功率為86 W時,當(dāng)抽運功率大于2030 W,輸出效率開始明顯下降,由87%降至29%.種子注入功率越高,效率下降點對應(yīng)的輸出功率越高.根據(jù)對全光纖模式不穩(wěn)定的研究分析,效率下降表示可能出現(xiàn)了較多的高階模式[12,15].

圖2 不同種子光注入下的放大器輸出Fig.2.Output power of the amplifier with Different seed laser power.

進一步研究輸出激光的M2(光束質(zhì)量)特性,實驗中測量了不同種子功率時放大器輸出激光光束質(zhì)量和遠場光斑演變情況,結(jié)果如圖3所示.與圖2中的輸出功率對比,可以發(fā)現(xiàn),當(dāng)種子功率一定時,在輸出效率下降點附近,光束質(zhì)量急速退化.如在圖3(a)中,種子功率為86 W,由于放大器增益光纖本身支持的模式數(shù)量較多,在未注入抽運功率時,光束質(zhì)量為1.5左右.隨著輸出功率的增加,兩方向的光束質(zhì)量逐漸退化.當(dāng)輸出功率達到1560 W時,光束質(zhì)量在x方向的值陡然從2變?yōu)?.7,y方向從1.7變?yōu)?.3,且兩方向差距明顯變大.從光斑形態(tài)來看,出現(xiàn)了明顯的LP11模成分.類似地,在不同種子功率情況下,都存在一個光束質(zhì)量惡化的突變點,種子功率越高,光束質(zhì)量突變點對應(yīng)的輸出功率越高.圖3(d)中存在x,y兩方向光束質(zhì)量大小交替的現(xiàn)象,這是由于種子功率為528 W時,光束質(zhì)量較低功率時已有明顯下降,種子信號光中已含有少量高階模式,再加上圖1中熔點失配將激發(fā)一定量高階模.當(dāng)種子信號光注入放大器中,隨著抽運功率的增加,放大器內(nèi)部的高階模式被不同程度激發(fā),考慮到光纖本身布局等外部條件影響,x,y兩方向的傳輸模式將動態(tài)改變,導(dǎo)致兩方向上光束質(zhì)量交替變化.

結(jié)合圖2與圖3的結(jié)果,不同種子激光功率對應(yīng)的光-光效率下降前后的輸出情況如表1所列,x,y兩方向光束質(zhì)量數(shù)據(jù)的平均值記為M2.由表1可見,在注入其他種子功率的情況下也有相似結(jié)果,光-光效率降低的輸出功率點光束質(zhì)量存在突變,說明此時輸出光束中已包含多個模式,從圖3中的光斑形態(tài)上也可以看出不再是近單模衍射光束.根據(jù)模式不穩(wěn)定特性,認(rèn)為此輸出功率點處MI已經(jīng)發(fā)生,如對于86 W種子功率,MI閾值即為1560 W.從表1中還可以看出,在種子光功率為528 W時,輸出功率3090 W的效率下降情況相較于其他種子功率不是十分嚴(yán)重,這是因為提高種子功率對模式不穩(wěn)定效應(yīng)具有一定的抑制作用[26,27].在一定范圍內(nèi)提升種子功率,將減少上能級反轉(zhuǎn)粒子數(shù),進而增強增益飽和效應(yīng),提高模式不穩(wěn)定效應(yīng)閾值.

表1 不同種子功率光-光效率下降前后的輸出情況Table1.Output results under Different seed power before/after the optical-to-optical efficiency dropped.

圖3 不同種子功率下放大器的光束質(zhì)量演化 (a)86 W;(b)234 W;(c)381 W;(d)528 WFig.3.Developing process of the amplifier beam quality under Different seed power:(a)86 W;(b)234 W;(c)381 W;(d)528 W.

確定模式不穩(wěn)定發(fā)生后,為進一步分析激光模式是否出現(xiàn)動態(tài)耦合,利用光電探測器測量并記錄輸出激光的時域數(shù)據(jù).研究表明[28],當(dāng)動態(tài)模式不穩(wěn)定效應(yīng)發(fā)生時,輸出激光時域信號會隨著基模與高階模之間的動態(tài)耦合關(guān)系起伏,對時域信息進行傅里葉變換后,得到的頻域圖像會出現(xiàn)其獨有的特征頻率尖峰.因此,根據(jù)探測器測得的數(shù)據(jù)即可判斷模式不穩(wěn)定的時域和頻域特征.圖4給出了在不同種子功率下,MI閾值處輸出光束的時/頻域圖.在100 ms的時間范圍內(nèi),四次閾值處的時域信號在模式不穩(wěn)定發(fā)生后沒有明顯起伏,通過傅里葉變換后,在頻域也未有明顯的特征頻譜出現(xiàn).結(jié)果表明,盡管輸出激光的光束質(zhì)量退化已經(jīng)十分嚴(yán)重,但在時/頻域上仍觀測不到動態(tài)模式不穩(wěn)定特征.可以認(rèn)為,在本實驗支持部分高階模傳導(dǎo)的少模光纖放大器中,高功率情況下出現(xiàn)的模式不穩(wěn)定為準(zhǔn)靜態(tài)的模式不穩(wěn)定效應(yīng),特定時間范圍內(nèi)的能量耦合為單向傳遞,不存在交替變化,因而探測器在時域上無法表征其出現(xiàn).

圖4 不同種子功率下閾值處輸出情況 (a)時域圖;(b)頻域圖Fig.4.Output results of the MI threshold points with various seed power:(a)Time domain traces;(b)frequency domain traces.

此處引入一種基于時域數(shù)據(jù)對動態(tài)模式不穩(wěn)定是否出現(xiàn)的數(shù)值判定方法[29],可深入判斷少模光纖中是否出現(xiàn)動態(tài)模式不穩(wěn)定效應(yīng).σ表示時域上信號光的偏移比,表示為

其中P(υ)表示頻率υ處的功率密度.當(dāng)模式不穩(wěn)定未出現(xiàn)時,σ值很低,表示在0—30 kHz范圍內(nèi)功率密度起伏不明顯;而模式不穩(wěn)定的出現(xiàn)會在0—15 kHz內(nèi)激發(fā)特征頻率成分,導(dǎo)致σ的增加.根據(jù)定義,認(rèn)為當(dāng)σ增加至10%時即可判定信號光起伏幅度較大,動態(tài)模式不穩(wěn)定出現(xiàn).以種子光功率234 W的放大器時域信號為例計算其在不同輸出功率下的σ值,結(jié)果如圖5所示.圖中數(shù)據(jù)表明,當(dāng)輸出功率達到MI閾值功率2030 W,對應(yīng)圖2(b)中光束質(zhì)量為2.8時,σ還未達到5%,進一步說明了時域上確實未能觀測到信號光的動態(tài)起伏.

圖5 234 W種子功率對應(yīng)的放大器σ值Fig.5.Calculated σ of the amplifier at 234 W seed power.

4 結(jié) 論

本文研究了后向抽運少模光纖放大器中的模式不穩(wěn)定效應(yīng),從實驗結(jié)果可以發(fā)現(xiàn),不同的種子功率下,當(dāng)抽運功率達到某一值時,輸出功率增長幅度減小,光-光效率降低,另一方面,提高種子功率對于輸出功率有一定提升作用,當(dāng)種子激光功率增加至528 W時,輸出功率在MI閾值3090 W處的效率下降幅度變緩;測量放大器光束質(zhì)量時不僅能觀測到退化過程,在效率降低點處還存在光束質(zhì)量的突變,輸出不同于近單模光纖的光斑形態(tài),據(jù)此判斷該功率處已發(fā)生模式不穩(wěn)定;進一步研究不同種子功率下模式不穩(wěn)定閾值點的時域光信號時,無論是示波器探測數(shù)據(jù)還是數(shù)值等式計算,都沒有明顯起伏,頻域也沒有特征頻率尖峰出現(xiàn),這與動態(tài)模式不穩(wěn)定的耦合特性有著顯著差異.結(jié)果表明,由于少模光纖支持高階模式的傳導(dǎo),其模式不穩(wěn)定效應(yīng)為準(zhǔn)靜態(tài)過程,在光-光效率下降和光束質(zhì)量突變的同時,發(fā)生從基模單向耦合能量至高階模的偽穩(wěn)態(tài)行為.

感謝張坤、徐小勇、劉思柳、陳林、宋濤的大力支持.