國產(chǎn)化摻銩光纖激光振蕩器性能研究

孟 佳，張 偉，趙開祺，余 婷*，吳聞迪， 于春雷，李 璇，李興冀，葉錫生*，曹 清

(1.上海大學(xué) 理學(xué)院，上海 200444；2.中國科學(xué)院 上海光學(xué)精密機械研究所 ，上海 201800；3.中國科學(xué)院大學(xué)，北京 100049；4.哈爾濱工業(yè)大學(xué) 空間環(huán)境材料行為與評價技術(shù)國家級重點實驗室，黑龍江 哈爾濱 150001)

1 引 言

摻銩光纖激光處于人眼安全波段，可以用于探測大氣分子(如H2O、CO2、N2O等)并在激光通信、激光雷達、遙感探測、激光醫(yī)療等領(lǐng)域有重要應(yīng)用前景[1-4]，近年來受到了較廣泛關(guān)注。摻銩光纖激光器(Thulium-Doped Fiber Laser,TDFL)可輸出1.8～2.1 μm波段的激光，并且在波長大于2 μm時可用于泵浦非線性晶體從而產(chǎn)生中紅外激光[5-7]。摻銩光纖激光器的應(yīng)用前景廣泛，對于所需材料及器件的研制提出了較高要求，相關(guān)技術(shù)的進步也推動著摻銩光纖激光器的發(fā)展[8-16]。目前單頻單模摻銩光纖激光器已實現(xiàn)608 W的激光功率輸出[17]，而高功率摻銩光纖激光器已經(jīng)實現(xiàn)千瓦級的激光功率輸出[18]。國內(nèi)的相關(guān)研究起步較晚，與國外相比還存在較大差距。

目前，常用的商業(yè)化摻銩光纖(TDF)主要來自Nufern、Coactive、iXblue等國外公司，而振蕩器所用的光纖光柵則也主要來自Teraxion、ITF等國外公司。目前，對于光纖激光器，與摻鐿光纖相比，摻銩光纖的研究成果很少。為此，有必要盡快地發(fā)展基于國產(chǎn)材料和器件的摻銩光纖激光器技術(shù)。

本文基于國產(chǎn)摻銩光纖、光纖光柵、半導(dǎo)體激光(laser diode,LD)泵浦源等材料和器件，通過設(shè)計和搭建1 918、1 941、2 013 nm 3種連續(xù)波摻銩光纖激光振蕩器并進行性能測試分析，研究摻銩光纖在不同輸出激光波長下的轉(zhuǎn)化效率、輸出光譜及近場光斑等輸出特性，并與進口的商業(yè)化光纖輸出特性進行對比。

2 理論模型

2.1 摻銩光纖激光振蕩器基本原理

圖1 銩離子的吸收光譜 Fig.1 Absorption spectrum of the thulium ions

摻銩光纖激光振蕩器以摻銩光纖作為增益介質(zhì)，其工作原理表述如下：將泵浦光注入摻銩光纖中，纖芯內(nèi)的銩離子吸收泵浦光躍遷至上能級，并隨著上能級粒子數(shù)的增多而產(chǎn)生粒子數(shù)反轉(zhuǎn)；處于激發(fā)態(tài)的銩離子再次躍遷至基態(tài)能級時會輻射出波長為2 μm波段的光子，并在諧振腔內(nèi)受激放大、輻射出2 μm波段激光。圖1為銩離子的吸收光譜[19]，可見，銩離子(Tm3+)在790 nm附近的光吸收最強。本實驗采用技術(shù)較為成熟的激光波長為793 nm的LD作為泵浦源。

2.2 數(shù)值模擬

銩離子的能級結(jié)構(gòu)如圖2所示[19]，圖中右側(cè)括號內(nèi)所標注的為各能級壽命(單位為μs)。由于3H5能級的壽命極短，只有0.007 μs，故該能級上的粒子數(shù)可以忽略。因此，利用793 nm激光泵浦的摻銩光纖激光器為準三能級系統(tǒng)。位于基態(tài)3H6能級的Tm3+離子在吸收波長為793 nm的泵浦光之后被激發(fā)到3H4能級，經(jīng)過光子自猝滅過程衰變到3F4能級，同時輻射出光子，將3H6能級的粒子激發(fā)到3F4能級，3F4能級上的Tm3+離子向基態(tài)躍遷并發(fā)射2 μm波段的激光。

圖2 銩離子的能級分布及其壽命 Fig.2 Energy-level distribution of thulium ions and their lifespans

振蕩器中泵浦光、信號光光子數(shù)密度沿光纖長度變化的輸運方程由以下公式給出[19]：

聯(lián)立以上各式，用Matlab軟件對微分方程組進行求解，可給出所需光纖的長度。本文數(shù)值模擬工作中關(guān)鍵參數(shù)的取值為：λpump=793 nm，σas=1×10-26m2，σap=8×10-25m2，σes1918=5×10-25m2，σes1941=4.5×10-25m2，σes2013=3×10-25m2，σep=1×10-25m2，Ac=7.853 8×10-11m2，αp=4×10-3/m，αs=7×10-4/m，Γp=0.002 4，Γs=0.82，Pp1918=10.52 W，Pp1941=10.88 W，Pp2013=10.40 W。光纖光柵的參數(shù)則根據(jù)所用器件的參數(shù)設(shè)定。1 918、1 941、2 013 nm振蕩器前向信號光功率隨光纖長度變化、輸出信號光功率隨泵浦光功率變化的數(shù)值模擬結(jié)果如圖3所示。由圖3可知，當自研增益光纖的長度為5 m時，輸出激光功率趨于飽和，1 918、1 941、2 013 nm振蕩器在設(shè)定泵浦功率下輸出分別為2.52、3.19、2.92 W，光-光轉(zhuǎn)化效率分別為24.0%、29.3%、28.1%。進口增益光纖在長度為3 m時輸出功率趨于飽和；在此光纖長度下，1 918、1 941及2 013 nm振蕩器輸出的激光功率分別為3.03、3.84及3.52 W，對應(yīng)光光轉(zhuǎn)化效率分別為28.8%、35.3%及33.8%。

圖3 摻銩光纖激光器數(shù)值模擬結(jié)果 Fig.3 Simulation results of thulium-doped fiber lasers

3 實驗裝置

國產(chǎn)化連續(xù)波摻銩光纖振蕩器的原理結(jié)構(gòu)如圖4所示。泵浦源使用國產(chǎn)半導(dǎo)體二極管(BWT，凱普林)，其中心波長為793 nm，最大輸出功率為16 W，輸出尾纖纖芯/包層直徑為105/125 μm。泵浦源熔接FBG后進入增益介質(zhì)。FBG及增益介質(zhì)皆為中國科學(xué)院上海光學(xué)精密機械研究所自主研發(fā)。FBG的纖芯/包層直徑為10/130 μm，參數(shù)如表1所示。增益介質(zhì)是纖芯/包層直徑為10/130 μm的單模摻銩光纖，其對793 nm泵浦激光的包層吸收系數(shù)為～2.5 dB/m，光纖長度為5 m。摻銩光纖盤繞在水冷板上進行主動散熱。振蕩器輸出的激光經(jīng)過包層光功率濾除器(Cladding Power Stripper,CPS)后包層內(nèi)殘余的激光被濾除。為了防止菲涅爾反射光損傷前端器件，將激光輸出端面切割為8°斜角。

圖4 摻銩光纖激光振蕩器原理結(jié)構(gòu) Fig.4 Schematic of the thulium-doped fiber laser oscillator

CodeHRLR1λc①=1 917.78 nm, λc=1 917.81 nm, Δλ②=1.2 nm,Δλ=0.08 nm, R③>99%R≈10%2λc=1 941.42 nm,λc=1 941.67nm, Δλ=1.1 nm, Δλ=0.11 nm, R>99%R≈30%3λc=2 013.34 nm,λc=2 013.34 nm, Δλ=0.84 nm, Δλ=0.16 nm, R>99%R≈11%

Notes：①λcis the central wavelength; ②Δλis the linewidth; ③Ris the reflectivity.

4 實驗結(jié)果及分析

4.1 基于自研增益光纖的振蕩器實驗結(jié)果

實驗分別使用表1中的3對光纖光柵、自研摻銩光纖以及國產(chǎn)LD泵浦源搭建振蕩器，對振蕩器的輸出激光功率及光譜進行測試，典型結(jié)果見圖5。

振蕩器輸出激光功率與泵浦源LD功率的關(guān)系曲線如圖5(a)所示，可見：輸出激光功率與泵浦光功率基本呈線性變化，但輸出激光波長不同時的斜率效率略有不同。

在1 918 nm振蕩器實驗中，當泵浦源輸出功率為10.52 W時，輸出激光功率為2.38 W，斜率效率為28.0%，光-光轉(zhuǎn)化效率為22.6%，激光中心波長為1 917.80 nm(光譜儀型號為YOKOGAWA AQ6375)，3 dB譜寬為0.08 nm，見圖5(b)。

在1 941 nm振蕩器實驗中，輸出信號光功率為2.95 W(對應(yīng)泵浦光功率為10.88 W)，斜率效率為31.8%，光-光轉(zhuǎn)化效率為27.1%，中心波長為1 941.75 nm，3 dB譜寬為0.09 nm，見圖5(c)。

在2 013 nm振蕩器實驗中，當泵浦源LD輸出功率為10.40 W時，信號光的輸出功率達2.92 W，斜率效率達29.1%，光-光轉(zhuǎn)化效率為28.0%，激光中心波長為2 013.38 nm，3 dB譜寬為0.1 nm，見圖5(d)。

圖5 國產(chǎn)化摻銩光纖激光振蕩器輸出功率和光譜實驗結(jié)果。 (a)信號光功率與泵浦功率的關(guān)系；(b)～(d)1 918 nm、1 941 nm和2 013 nm振蕩器的光譜 Fig.5 Experimental results of output power and spectra of the domestic thulium-doped fiber laser oscillators. (a)Relationship between signal power and pump power; (b)～(d)spectra of 1 918 nm, 1 941 nm and 2 013 nm oscillators

實驗中1 918 nm振蕩器的效率與1 941 nm、2 013 nm振蕩器存在較大的差距。經(jīng)驗證發(fā)現(xiàn)，這是由于1 918 nm的高反光柵對泵浦光損耗較高(約19%)引起的；在對1 918 nm振蕩器理論數(shù)值模擬時也考慮了該器件的損耗?？梢?，實驗結(jié)果與模擬結(jié)果的一致性較好。

在光纖研制過程中，通過調(diào)整纖芯內(nèi)銩離子的摻雜濃度、纖芯外圍鍺層中鍺的摻雜濃度，改變增益光纖數(shù)值孔徑，可在一定程度上優(yōu)化激光光斑。本實驗所用的自研增益光纖在研制時通過減小銩離子摻雜濃度、增加鍺層中鍺的摻雜濃度而適當減小了其數(shù)值孔徑(約為0.145)。使用PY-IV相機對各振蕩器輸出激光的近場光斑進行測量，結(jié)果如圖6所示。可見，各振蕩器輸出激光的近場光斑能量分布比較規(guī)則。

圖6 國產(chǎn)化摻銩光纖振蕩器輸出激光的近場光斑分布 Fig.6 Near-field spots of output laser from the domestic thulium-doped fiber oscillators

基于2 013 nm振蕩器，分別對使用2、3、5 m增益光纖的情況進行了輸出激光功率測試，結(jié)果如圖7所示。可見，在輸出效率方面，增益光纖長度為5 m時要優(yōu)于另外兩個長度，所得結(jié)果與模擬結(jié)果較吻合。

圖7 不同增益光纖長度下輸出激光功率與泵浦光功率之間的關(guān)系 Fig.7 Relationship between output laser power and pump power under different gain fiber lengths

針對2 013 nm振蕩器在輸出激光功率為3 W的條件下進行了時長約60 min的運行考核，結(jié)果如圖8所示?？梢?，激光功率波動為±0.08 W，其穩(wěn)定性良好(功率波動呈現(xiàn)一定的周期性，具體原因待進一步研究)。

對2 013 nm振蕩器采用最高功率為30 W的泵浦源，其激光輸出情況如圖9所示。當泵浦功率處于11 W和15 W附近時，振蕩器出現(xiàn)了輸出功率下降的現(xiàn)象，具體原因有待進一步研究。

圖8 60 min內(nèi)摻銩光纖激光器功率穩(wěn)定性 Fig.8 Stability of output power of TDFL in 60 min

圖9 更高泵浦功率下的功率輸出曲線 Fig.9 Relationship between signal power and pump power with higher pump power

4.2 對比實驗

將上述激光振蕩器中的增益介質(zhì)分別替換為進口的Nufern公司雙包層單模摻銩光纖產(chǎn)品(其纖芯/包層直徑同樣為10/130 μm，包層對793 nm泵浦光的吸收系數(shù)為4.5 dB/m，數(shù)值孔徑為0.15，光纖長度為2.8 m)，再測試其激光輸出特性，并與自研的摻銩光纖進行對比。

在換用進口摻銩光纖之后，激光振蕩器輸出功率曲線如圖10所示，對比數(shù)據(jù)見表2。實驗與模擬結(jié)果在趨勢上仍較一致。結(jié)合圖7可見，利用進口光纖，激光輸出效率較國產(chǎn)光纖有明顯提升，斜率效率相差6%～11%左右。由表2結(jié)果可見，基于自研摻銩光纖的振蕩器在激光輸出功率、斜率效率、光-光效率方面與進口光纖相比尚有一定的差距，而在線寬方面則基本一致。分析推測自研摻銩光纖在功率、效率上的差異與增益光纖離子摻雜濃度等有關(guān)，有待進一步實驗研究以改善其性能。

圖10 采用進口和國產(chǎn)摻銩光纖的激光振蕩器輸出功率對比實驗結(jié)果 Fig.10 Contrast experimental results of the output powers of laser oscillators by using the domestic and imported TDFs

光纖中心波長/nm輸出功率/W泵浦功率/W斜率效率/%光-光轉(zhuǎn)化效率/%線寬/nm進口1 918.002.9210.5234.627.70.09國產(chǎn)1 917.802.3810.5228.022.60.08進口1 941.723.9610.8843.136.30.10國產(chǎn)1 941.752.9510.8831.827.10.09進口2 013.333.5010.4037.033.70.09國產(chǎn)2 013.382.9210.4029.128.00.10

換用進口摻銩光纖后，激光振蕩器的近場光斑如圖11所示。與圖6中自研摻銩光纖的結(jié)果相比，采用進口光纖的激光輸出光斑能量分布不太理想，而自研摻銩光纖的激光輸出光斑分布則較為理想。

圖11 進口摻銩光纖振蕩器輸出激光的近場光斑分布 Fig.11 Near-field spots of the output laser from oscillators by using the imported thulium-doped fiber

5 結(jié) 論

本文利用國產(chǎn)化的材料和器件成功搭建了1 918、1 941、2 013 nm摻銩光纖激光振蕩器，開展了自研摻銩光纖的激光輸出特性研究。3臺振蕩器的激光輸出光譜良好，3 dB譜寬均接近0.1 nm。對自研摻銩光纖在數(shù)值孔徑方面進行了優(yōu)化，使激光輸出近場光斑分布較理想。

接著，將增益介質(zhì)替換為進口摻銩光纖，開展了激光器特性的對比測試分析。結(jié)果表明，在激光輸出的功率、斜率效率、光-光效率方面，自研摻銩光纖接近于進口產(chǎn)品，但仍存在一定差距，而自研摻銩光纖在激光振蕩器輸出近場光斑分布方面明顯好于進口光纖。

致謝:感謝上海光學(xué)精密機械研究所皮浩洋、楊依楓、張晨、王孟等同志在實驗方面提供了幫助和支持。