用于光纖激光器光譜組束的外腔反饋研究

劉小溪，王學(xué)鋒,2*，闞寶璽,2，王軍龍,2，朱占達(dá)，鄭 也

(1.北京航天控制儀器研究所，北京 100094;2.北京市光纖傳感系統(tǒng)工程技術(shù)研究中心，北京 100094)

引 言

光纖激光器具有轉(zhuǎn)換效率高、光束質(zhì)量好、熱管理簡單、使用靈活、結(jié)構(gòu)穩(wěn)定等一系列優(yōu)點，已成為高功率全固態(tài)激光器技術(shù)研究熱點[1-3]。但由于非線性效應(yīng)，光纖損傷、抽運耦合、模場直徑等因素的制約，單纖單模光纖激光器輸出功率受限[4-5]。若要獲得更高功率水平，則需要采用多路光束組束方式實現(xiàn)[6-8]。目前發(fā)展較快的主要有相干組束和光譜組束(spectral beam combining，SBC)。相干組束容易受到外界環(huán)境干擾，且對光束的相位穩(wěn)定度和控制精度要求較高；光譜組束無需相位控制，結(jié)構(gòu)簡單，對光束穩(wěn)定性和控制要求較低，同時又能實現(xiàn)較高的光束質(zhì)量，是光纖激光器實現(xiàn)高功率、高光束質(zhì)量激光輸出的較好方案[9]。

自1999年以來，麻省理工大學(xué)、美國空軍實驗室、德國夫瑯和費研究所、洛克希德·馬丁公司及中國工程物理研究院應(yīng)用電子學(xué)研究所、中國科學(xué)院上海光學(xué)精密機械研究所等單位先后對光譜組束技術(shù)進行了研究[10-19]。其中，美國洛馬公司通過內(nèi)腔光譜組束，獲得了輸出功率大于30kW的激光輸出[16]，中國科學(xué)院上海光學(xué)精密機械研究所通過對8路全光纖超熒光光源的組束，實現(xiàn)了10.8kW的組束輸出[19]。

根據(jù)組束元件(光柵)所處的位置，光纖激光光譜組束可分為光柵在諧振腔之外的內(nèi)腔型光譜組束與光柵在諧振腔之內(nèi)的外腔型光譜組束。內(nèi)腔型光譜組束中，各子束激光器相互獨立，便于調(diào)試。由于組束輸出光束質(zhì)量隨子束激光線寬增加而降低，因而內(nèi)腔型光譜組束對子束激光線寬要求較為嚴(yán)格。采用雙光柵補償?shù)姆椒梢詫馐|(zhì)量的退化進行補償，但其光束質(zhì)量下降的趨勢不可避免[20]，并且雙光柵補償法對光柵位置的調(diào)節(jié)精度要求較高。外腔型光譜組束系統(tǒng)中，光路中存在反饋結(jié)構(gòu)，光柵和部分反射平面鏡對波長具有選擇作用，不滿足反饋條件的光束無法形成振蕩，子束激光波長自適應(yīng)，對激光光源線寬要求較低。

針對光纖激光器外腔光譜組束系統(tǒng)中，發(fā)光單元反饋量不足、偏離主光軸的發(fā)光單元存在像差、組束結(jié)構(gòu)限制子束激光數(shù)量、多子束激光組束要求較大口徑傳輸透鏡等問題，改進外腔反饋方案，提出將組束系統(tǒng)中單個傳輸透鏡準(zhǔn)直和聚焦功能分離的措施，子束激光分別由對應(yīng)的準(zhǔn)直透鏡準(zhǔn)直。對光纖激光器外腔光譜組束過程中，激光線寬、光纖芯徑對輸出光束質(zhì)量的影響進行了理論計算及模擬仿真，搭建了光纖激光器外腔反饋系統(tǒng)，實現(xiàn)了激光波長的鎖定。光光轉(zhuǎn)換效率為91.5%，反饋輸出線寬為0.16nm，輸出功率為29.7W,組束方向(衍射方向)M2=1.241，非組束方向M2=1.171。

1 外腔組束原理

外腔反饋光譜組束結(jié)構(gòu)如圖1所示[13]。諧振腔由增益光纖左端的高反鏡(high reflector,HR)和系統(tǒng)右端的部分反射平面鏡構(gòu)成，部分反射平面鏡輸出組束激光。光纖輸出端面位于透鏡焦平面上，各光束經(jīng)透鏡后為準(zhǔn)直光束，確保光束能夠原路返回，實現(xiàn)波長鎖定。光柵在透鏡的焦平面上，光束經(jīng)透鏡后在光柵上重合，經(jīng)光柵衍射后，各個激光器鎖定在不同的波長，由于光柵的色散作用，使各個光束沿相同的方向出射，實現(xiàn)組束。

Fig.1 Schematic layout of external cavity SBC

該組束系統(tǒng)中的傳輸透鏡，同時具有聚焦和準(zhǔn)直的功能。為同時實現(xiàn)這兩個功能，傳輸透鏡與光纖輸出端面之間、傳輸透鏡與光柵之間的距離有嚴(yán)格的限制，光纖輸出端面和衍射光柵要分別放在傳輸透鏡的前后兩個焦面上。在該組束系統(tǒng)中: (1)偏離主光軸的發(fā)光單元會產(chǎn)生像差，導(dǎo)致組束后整體光束質(zhì)量下降；(2)光纖輸出端需要放置在透鏡焦面上，這就限制了參與組束的子束激光數(shù)量；(3)基于該結(jié)構(gòu)的光譜組束系統(tǒng)光程較長，整體結(jié)構(gòu)較大，在反饋過程中存在發(fā)光單元反饋量不足的問題；(4)增加組束光束數(shù)量需要采用更大口徑的傳輸透鏡，較大口徑透鏡加工較為困難，成本較高。

本文中對原組束系統(tǒng)進行了優(yōu)化，如圖2所示。圖中,LD為激光二極器(laser diode),HR-FBG為高反鏡光纖布喇格光柵(high reflector fiber Bragg grating),YDF為摻鏡光纖(Yb-doped fiber)。子束激光分別由對應(yīng)的準(zhǔn)直透鏡準(zhǔn)直，經(jīng)透射光柵衍射及部分反射平面鏡鎖定波長。該方案中: (1)通過空間位置的擺放實現(xiàn)在光柵上的聚焦，可避免由像差引起的旁軸光束組束效率下降[13]；(2)消除子束激光輸出端統(tǒng)一放置在單一傳輸透鏡焦點附近的限制，空間布局較為自由，可容納多更多路光束參與組束，進一步提高組束輸出功率；(3)透鏡光柵無需放置在傳輸透鏡焦平面處，可以避免子束激光反饋量不足的問題；(4)多路光束組束無需大口徑透鏡，工程難度較低。

Fig.2 Schematic layout of external cavity SBC after improvement

2 計算與仿真

2.1 線寬、光纖芯徑對光束質(zhì)量影響

由光柵方程：mλ=d(sini+sinθ)

(1)

可得：

Δλ=dcosθΔθ

(2)

式中,m為衍射級次，λ為入射激光波長，d為光柵刻線寬度，i為入射角，θ為衍射角。對于滿足Littrow條件的光束，入射角等于衍射角。在光譜組束系統(tǒng)中，激光線寬可用Δλ表示。當(dāng)僅考慮色散造成的影響時，光束經(jīng)過光柵后的發(fā)射角為：β=α+Δθλ

(3)

式中，α為入射光束的發(fā)散角，Δθλ表示因光束具有一定線寬，經(jīng)光柵色散時衍射角增大的角度。在圖1、圖2所示的光譜組束系統(tǒng)中，Δθλ=Δθ。

在光纖激光光譜組束系統(tǒng)中，光纖芯徑即為光源寬度。對于光源寬度為D的光束，經(jīng)焦距為f的透鏡準(zhǔn)直后，其發(fā)散角為：α=D/f

(4)

當(dāng)僅考慮諧振腔分辨率影響時，如圖1所示的外腔結(jié)構(gòu)輸出激光線寬為[20]：

Δλ=Ddcosθ/f

(5)

將(2)式、(5)式代入(3)式，可得衍射光束的發(fā)散角：

β=D/f+(dcosθ)-1×Ddcosθ/f=2D/f=2α

(6)

在光纖激光光譜組束系統(tǒng)中，光束經(jīng)過組束元件即光柵衍射后，腰斑半徑不變，光束發(fā)散角為原發(fā)散角的2倍,如圖3所示。由(4)式及(6)式可知，組束系統(tǒng)中光纖芯徑對組束后光束的發(fā)散角也有影響。

Fig.3 Schematic layout of beams before & after grating

2.2 外腔反饋仿真

實驗中采用透射光柵，衍射極次為-1級，則m=-1，采用的光柵1000line/mm,波長為1080nm，理論計算線寬為0.2nm，衍射角32.60°。采用輸出光纖為大模場雙包無源光纖(Nufen GDF-20/400)，芯徑為20μm。在ZEMAX設(shè)計中，通過設(shè)計3個波長分為1080nm，1080.05nm，1079.95nm的高斯光源從同一位置沿相同方向出射，表征線寬全寬為0.2nm的光束。在非序列中加入高斯光源，束腰寬度為9μm，數(shù)值孔徑為0.06，對應(yīng)的位置均為0.15mm,光功率均為1.00W。

選取的光柵為透射光柵，光柵刻線數(shù)取為1000line/mm，衍射級次選取-1，與x軸方向夾角設(shè)為32.60°。

Fig.4 Simulation layout of external cavity feedback system in ZEMAX

外腔反饋系統(tǒng)空間結(jié)構(gòu)示意圖如圖4所示。組束方向準(zhǔn)直透鏡焦距選用75mm焦距柱透鏡，非組束方向準(zhǔn)直透鏡選用30mm柱透鏡，光柵選取1000line/mm。

在激光輸出端面處分別采集出射光與反饋光在組束方向上的光場強度分布，其分布如圖5所示。當(dāng)激光輸出端面上的光斑半寬度與出射光斑寬度相同時，返回的光能占輸出光能的72.73%。

按照上面所述的設(shè)置，引入第2路子束激光，進行雙路組束仿真。第2路子束激光波長設(shè)置為1060nm， 組束方向準(zhǔn)直透鏡焦距選用75mm焦距柱透鏡，非組束方向準(zhǔn)直透鏡選用30mm柱透鏡，其空間結(jié)構(gòu)見圖6。

Fig.6 Simulation layout of SBC system in ZEMAX

分別采集單路外腔反饋與雙路組束輸出時，光柵后方與部分反射平面鏡后方的組束方向光場強度分布，其分布如圖7所示。 雙路子束激光組束時光場分布與單路外腔反饋時光場分布一致。

Fig.7 Light field distribution

a—external cavity feedback laser after grating b—SBC after grating c—external cavity feedback laser after partially reflecting flat mirror d—SBC after partially reflecting flat mirror

3 實驗結(jié)果與分析

3.1 實驗結(jié)構(gòu)

本文中采用的光纖激光器外腔反饋實驗結(jié)構(gòu)如圖8所示。實驗中采用的增益光纖為大模場雙包層摻鐿光纖(Nufen PLMA-20/400)，輸出的光纖為大模場雙包無源光纖(Nufen GDF-20/400),光纖端面鍍增透膜(反射率小于0.5%)。光纖激光器產(chǎn)生激光后先經(jīng)過f=30mm輸出光束先經(jīng)過的柱透鏡，對光束水平方向直行準(zhǔn)直，然后經(jīng)過f=75mm的柱透鏡，對光束豎直方向進行準(zhǔn)直，后光束入射到透射光柵上，經(jīng)光柵衍射后，入射到部分反射平面鏡上。調(diào)節(jié)光路，待反饋條件成立后，拆除低反射率光纖光柵，形成外腔反饋系統(tǒng)。

Fig.8 Schematic layout of external feedback system

3.2 實驗結(jié)果及分析

分別測量光纖激光器自由運轉(zhuǎn)及外腔反饋輸出時的功率，結(jié)果如圖9所示。部分反射平面鏡的反射率為10%。當(dāng)驅(qū)動電流為12A時，外腔反饋激光輸出功率為29.7W，光纖激光器自由運轉(zhuǎn)功率為32.4W，光光轉(zhuǎn)換效率為91.5%。在工作電流范圍內(nèi)，光光轉(zhuǎn)換效率高于90%。

Fig.9 Relationship of SBC output power, free drive laser power, combination efficiency and current

Fig.10 Qualitative measurement results of external cavity feedback of SBC

采用SCPRICON M2-200型光束質(zhì)量分析儀測量外腔反饋輸出的光束質(zhì)量，組束方向光束質(zhì)量M2=1.241，非組束方向光束質(zhì)量M2=1.171。組束方向與非組束方向相比，光束質(zhì)量相近，如圖10所示。外腔反饋輸出光束的光束質(zhì)量優(yōu)于R?SER等人外腔光譜組束輸出的光束質(zhì)量[13]。

在驅(qū)動電流為12A的情況下，光纖激光器自由運轉(zhuǎn)輸出光譜與外腔反饋輸出光譜如圖11所示。從圖中可以看出，自由運轉(zhuǎn)時，頻譜內(nèi)除主峰外還有次峰，而外腔反饋后，頻譜內(nèi)只有單一的主峰，證明激光波長實現(xiàn)鎖定。由第2節(jié)中的分析可知，光譜寬度理論值為0.2nm，光譜儀測得外腔反饋輸出光譜寬約為0.16nm，與理論分值有較小差距， 其原因主要為光柵放置的角度和位置存在誤差。

Fig.11 Spectrum of fiber laser and SBC systema—fiber laser on free drive b—SBC system

4 結(jié) 論

通過對外腔反饋結(jié)構(gòu)進行改進，將組束系統(tǒng)中單個傳輸透鏡的準(zhǔn)直和聚焦功能分離，以獲得更好的組束輸出光束質(zhì)量。實現(xiàn)了光纖激光外腔反饋鎖波長輸出，連續(xù)輸出功率為29.7W，光光轉(zhuǎn)換效率為91.5%，反饋輸出組束方向光束質(zhì)量M2=1.241，非組束方向M2=1.171。外腔反饋過程中，光譜譜線寬度與理論計算基本一致。該外腔反饋方案可應(yīng)用于多路光纖激光光譜組束。