摻鐿有源光纖中Al3+濃度對高功率激光輸出穩(wěn)定性的影響研究

張俊逸 馮術娟 趙霞 劉禮華 周軍

摘? 要：摻鐿有源光纖的抗光子暗化性能是影響高功率光纖激光器長期功率穩(wěn)定性的重要因素，研究共摻雜離子濃度對摻鐿有源光纖的抗光子暗化性能的影響對高功率摻鐿光纖激光器的研發(fā)有重要的意義。該文采用自制的具有不同Al3+摻雜濃度的20/400摻鐿有源光纖搭建1 500 W激光輸出的光纖振蕩器，通過15天的持續(xù)烤機實驗，研究Al3+濃度對高功率摻鐿有源光纖激光器長期功率穩(wěn)定性的影響。研究表明，當Yb3+濃度為1.3 wt.%，Al3+濃度為3.6 wt.%時，其斜效率最高為71.8%，摻鐿有源光纖經過15天、1 500 W烤機實驗后，其激光輸出功率無明顯降低，未發(fā)生模式不穩(wěn)定性，表現(xiàn)為優(yōu)異的抗光子暗化性能。

關鍵詞：摻鐿有源光纖? 高功率? 光子暗化效應? 烤機實驗

中圖分類號：TN248? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文獻標識碼：A文章編號：1672-3791（2020）11（a）-0009-06

Effect of Al3+ Concentration in Ytterbium Doped Active Fiber on High-Power Laser Output Stability

ZHANG Junyi1，2? FENG Shujuan1? ZHAO Xia1? LIU Lihua1? ZHOU Jun2

（1.Jiangsu Fasheng Optical Communication Technology Co.， Ltd.， Wuxi， Jiangsu Province， 214433? China; 2. Shanghai Optical Fiber Precision Machinery Research Institute， Shanghai， 200000? China）

Abstract： In this paper， we use 20/400 ytterbium doped active fiber with different Al3+ concentration to build a 1500W laser output fiber oscillator. Through 15 days of continuous baking machine experiment， we studied the influence of Al3+ concentration on the long-term power stability of high-power ytterbium doped active fiber laser. The results show that when Yb3+ concentration is 1.3 wt.% and Al3+ concentration is 3.6 wt.%， the highest skew efficiency is 71.8%. After 15 days of experiments in 1500 W toaster， the output power of Yb3+ - doped active fiber does not decrease significantly， and there is no mode instability.

Key Words： Ytterbium doped active fiber; High power; Photon darkening effect; Toaster experiment

光纖激光器由于其高光束質量、良好的散射性能、長使用壽命及免維護等優(yōu)異性能，被廣泛應用于工業(yè)加工、國防軍事、醫(yī)療衛(wèi)生、科學研究等領域。而高功率連續(xù)光纖激光器由于其極高的光束能量，更多地被應用于工業(yè)加工的焊接、切割及熔覆和國防軍工的激光武器研發(fā)等方面[1]。摻鐿有源光纖作為高功率摻鐿有源光纖激光器中最為重要的增益介質，其研發(fā)及實際應用已得到了學者及光纖激光器廠家的廣泛關注。

在摻鐿有源光纖的實際應用中，除了考慮光纖的基本性能參數(shù)之外，更重要的是考量其實際的激光輸出性能及在光纖激光器中長期穩(wěn)定工作的可行性。特別是在高功率光纖激光器中，經過長時間高溫及高功率密度激光輸出的摻鐿有源光纖極易產生光子暗化效應，即隨著烤機實驗的增長功率明顯下降的情況[2]。為解決有源光纖光子暗化效應引起的功率下降問題，研究發(fā)現(xiàn)可通過添加共摻雜離子的方式[3]，以實現(xiàn)摻鐿有源光纖抗光暗化能力的提高。

該文通過實驗利用不同Al3+摻雜濃度的自制摻鐿有源光纖搭建輸出功率為1 500 W的光纖振蕩器。區(qū)別于常規(guī)的光暗化誘導損耗測試方法，該文通過長達15天的烤機實驗，直觀判斷摻鐿有源光纖的抗光子暗化性能。研究摻鐿有源光纖在高功率光纖激光器中長期穩(wěn)定工作的可行性，對國產化摻鐿有源光纖的研發(fā)有著重要的參考價值。

1? 實驗方案

該實驗采用的摻鐿有源光纖為江蘇法爾勝光通信科技有限公司自行設計并采用改進的化學氣相沉積法（Modified Chemical Vapor Deposition，MCVD）工藝制備并拉絲獲得芯徑為20μm，內包層為八邊形結構，邊對邊尺寸為400 μm，外包層為低折射率涂料的20/400雙包層摻鐿有源光纖。通過電子探針（EPMA）分析各摻鐿有源光纖芯層中摻雜Yb3+和Al3+的分布情況，設計具有相同的Yb3+摻雜濃度（1.3 wt.%）和不同的Al3+摻雜濃度（分別為3 wt.%、3.2 wt.%、3.4 wt.%、3.6 wt.%、3.8 wt.%）的摻鐿有源光纖。通過IFA-100光纖分析儀，測試光纖芯層折射率分布情況，通過對摻雜氟離子濃度的調控保證不同摻雜濃度的摻鐿有源光纖芯層折射率高度一致，具體摻鐿光纖的參數(shù)見表1。

為評價摻鐿有源光纖的激光性能及長期工作的功率穩(wěn)定性，搭建1 500 W輸出的雙端泵浦光纖振蕩器如圖1所示，采用8個輸出波長為915 nm，最高輸出功率為300 W的高功率半導體激光器作為抽運源，泵浦光通過自制的前向和后向兩個（6+1）×1的合束器，分別經過高反布拉格光柵（High Reflective Fiber Bragg Grating，HR FBG）和輸出耦合光柵（Output Coupler Fiber Bragg Grating，OC FBG）合束后注入到20/400摻鐿有源光纖包層，有源光纖被放置于彎曲半徑最小為10 cm，最大為30 cm的光纖水冷板刻槽內。激光在摻鐿有源光纖芯層產生并分別經過OC FBG、包層光剝除器（CLS）和光纖輸出組件（QBH）后輸出，被2 000 W功率計接受，記錄其信號變化情況。其中HR FBG采用20/400無源光纖制作，其中心波長1 080 nm處的反射率為99%，其3dB帶寬為4 nm，相對應的OC FBG在波長1 080 nm處的反射率約為5%，其3dB帶寬為3 nm。包層光剝除器和光纖輸出組件分別用于濾除包層中的激光和抑制端面反射，包層光濾除器同樣采用20/400無源光纖制作。上述所有器件均放置于接通水冷機的水冷板上保證足夠的散熱，以保證激光器持續(xù)穩(wěn)定輸出。

利用該光纖激光器結構，分別評價5種不同Al3+摻雜濃度的摻鐿有源光纖激光輸出功率隨著泵浦功率的增加情況，及其在15天的1 500 W激光輸出的烤機實驗期間功率的變化情況。測試光纖在1 200 nm位置的芯層損耗變化情況，以研究Al3+濃度對摻鐿有源光纖光子暗化效應的影響規(guī)律。

2? 實驗結果與分析

通過EPMA測試，分析了不同摻雜濃度的摻鐿有源光纖中Al3+濃度的分布情況，如圖2所示。從圖中可以看出，光纖預制棒制備時由于受高溫塌縮的影響，芯層中心位置的Al3+濃度與靠兩側的Al3+濃度比較略有下降，但沿徑向的整體濃度分布仍保持較為平整的狀態(tài)，無明顯的波動。不同Al3+摻雜含量從平均3.0 wt.%逐步增加至3.8 wt.%。

根據(jù)IFA-100光纖分析儀的測試，具有不同Al3+摻雜濃度的摻鐿有源光纖其折射率剖面如圖3所示。從圖中可以看出，各光纖的折射率波動均在±0.000 2。較小的折射率波動保障了光纖的模式及模場的穩(wěn)定，有效提升了摻鐿有源光纖功率及光束質量。通過對光纖芯層摻氟濃度的調整，不同Al3+濃度的光纖其芯層折射率高度及波動情況基本保持一致，這有利于將光纖折射率及模場對激光器性能的影響降至最低。

依據(jù)光纖激光器結構搭建測試的不同摻雜濃度的有源光纖，其泵浦功率與最終激光輸出功率曲線如圖4所示。其在17 A的電流下，激光輸出的功率及對應的斜效率如圖5所示。從圖中可以看出，隨著Al3+摻雜濃度的提升，輸出功率和斜效率呈現(xiàn)先增加后降低的趨勢。當泵浦功率為2 337 W（工作電源電流為17 A）時，最低輸出功率1 530 W及最小斜效率66.43%出現(xiàn)在3.0 wt.%Al3+的摻鐿有源光纖中，而含有3.6 wt.%Al3+的摻鐿有源光纖其最高功率達到1 641 W，最大斜效率達到71.82%。摻鐿光纖中Al3+的摻雜能有效提高Yb3+的分散性，減少其團簇，抑制激發(fā)態(tài)Yb3+間能量的傳遞。而Yb3+團簇的減少，反映在光纖性能參數(shù)上則主要表現(xiàn)為光纖芯層損耗的降低。較低的光纖損耗能有效降低1 080 nm激光在芯層的發(fā)熱，提高光纖的激光輸出效率。因此當Al3+濃度不小于3.6 wt.%（Al/Yb質量百分比不小于2.77）時，摻鐿有源光纖的損耗最低約為3 dB/km左右。在相同泵浦條件下，YDF-3Al、YDF-3.2Al及YDF-3.4Al光纖隨著損耗的降低，Yb3+的分散性逐步提升，其斜效率也隨之增加。當Al3+濃度進一步提升時，Al3+對Yb3+的分散作用逐步降低，在Al3+濃度在3.6 wt.%和3.8 wt.%時，斜效率分別為71.8%和71.1%，激光輸出功率并無明顯的變化（功率的變化是由熔接及功率計誤差造成的，并不能斷定Al3+濃度的進一步升高就會造成摻鐿有源光纖斜效率的下降）。

15天1 500 W以上的高功率烤機實驗結果如圖6所示。經過長達15天的烤機實驗，激光輸出功率下降比例隨著Al3+濃度的增加呈現(xiàn)先增加后趨于平穩(wěn)的趨勢。在3.0 wt.%的Al3+濃度的條件下，功率下降了8.7%，在3.2 wt.%的Al3+濃度的條件下，功率下降了6.1%，在3.4 wt.%的Al3+濃度的條件下，功率下降了2.1%，在3.6 wt.%的Al3+濃度的條件下，功率無明顯變化（增長0.1%，功率的增長是由于功率計的誤差波動造成的），在3.8 wt.%的Al3+濃度的條件下，功率下降0.2%。從15天烤機實驗結果判斷，同樣的，隨著摻雜Al3+濃度的提升，在Al3+濃度不小于3.6 wt.%時，摻鐿有源光纖的抗光子暗化能力最強，經過長時間烤機，其激光輸出功率并無明顯下降，且未產生模式不穩(wěn)定現(xiàn)象。

將經過15天烤機實驗后的摻鐿有源光纖測試其在1 200 nm位置的芯層損耗，并將其與因輸出功率變化而引起的芯層損耗值增加進行比較。發(fā)現(xiàn)與不同Al3+濃度的摻鐿有源光纖的抗光子暗化能力一致，實際芯層損耗的增加量隨著Al3+濃度的增加呈現(xiàn)先增加后略微下降的趨勢。在3.6 wt.%的Al3+濃度下，實際芯層損耗增加量最低為5.3dB/km。而Al3+濃度為3.8wt.%時，實際芯層損耗增加量提升至6.3 dB/km。

在摻鐿有源光纖中添加Al3+對光纖會產生兩方面的影響，一方面，Al3+的添加能有效提高Yb3+的分散性，減少其團簇，抑制激發(fā)態(tài)Yb3+間能量的傳遞;另一方面，Al3+的添加會導致?lián)借O有源光纖中缺陷的增加。在Al3+濃度較低時（<3.6 wt.%），隨著Al3+濃度的提高，Al3+引起的Yb3+的分散起到了主導作用，這導致了光纖芯層損耗的降低及激光斜效率的逐步升高。但在Al3+濃度較高時（≥3.6 wt.%），隨著Al3+濃度的逐步提高，Al3+增加導致的光纖缺陷提升占據(jù)了主導作用，這將會引起光纖芯層損耗的增加，斜效率的降低及抗光子暗化能力的下降。其中光纖的抗光子暗化能力對光纖缺陷的反應最為敏感。因此，在經過15天烤機實驗后，Al3+濃度最高（3.8 wt.%）的摻鐿有源光纖其芯層損耗的增加情況明顯高于Al3+濃度為3.6 wt.%的有源光纖。

3? 結語

隨著摻雜Al3+濃度的提升，摻鐿有源光纖在1 200 nm位置處的損耗呈現(xiàn)逐步降低的趨勢，最小損耗出現(xiàn)在3.8 wt.%的Al3+濃度，而在振蕩器1 500 W激光輸出時，其斜效率呈現(xiàn)先增加后略微降低的趨勢，最高斜效率（71.8%）出現(xiàn)在Al3+濃度為3.6 wt.%時。當Al3+濃度在3.6 wt.%時，光纖經過15天1 500 W烤機實驗后，其激光輸出功率并無明顯的降低，且其芯層損耗的增加量僅為5.3 dB/km，該光纖具有優(yōu)異的抗光子暗化性能。因此，在摻鐿有源光纖中添加適量的Al3+（3.6 wt.%）能有效提高光纖的抗光子暗化性能。

參考文獻

[1] 陳益沙，廖雷，李進延.數(shù)值孔徑對摻鐿光纖振蕩器模式不穩(wěn)定閾值影響的實驗研究[J].物理學報，2019，68（11）：156-162.

[2] 陳瑰，侯超奇，郭海濤，等.用于高功率系統(tǒng)的摻鐿石英光纖研究進展及發(fā)展趨勢[J].光子學報，2019，48（11）：140-149.

[3] 謝封侯.Research Progress on Photodarkening of Yb-Doped Fiber—Sol-Gel Method to Suppress Photodarkening[J].Material Sciences，2017，7（6）：567-575.

[4] 張俊逸，馮術娟，卞新海，等.高功率摻鐿有源光纖研究及發(fā)展[J].現(xiàn)代傳輸，2019（3）：41-43.

[5] 葉云，王小林，史塵，等.高功率摻鐿光纖激光振蕩器研究進展[J].激光與光電子學進展，2018，55（12）：84-95.

[6] 王小林，陶汝茂，楊保來，等.摻鐿全光纖激光振蕩器橫向模式不穩(wěn)定與受激拉曼散射的關系[J].中國激光，2018，45（8）：49-55.