單諧振腔光纖激光器輸出特性優(yōu)化實(shí)驗(yàn)研究

張培培,張 鵬,梁小紅

(中國電子科技集團(tuán)公司第四十六研究所,天津 300220)

1 引 言

光纖激光器以其轉(zhuǎn)換效率高、光束質(zhì)量好、系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單緊湊、運(yùn)作壽命長、性能穩(wěn)定可靠等諸多優(yōu)勢(shì)被廣泛應(yīng)用在工業(yè)加工、軍事、醫(yī)療、通信等領(lǐng)域。近幾年,隨著雙包層光纖制備技術(shù)、包層泵浦技術(shù)以及關(guān)鍵光纖元器件的研究工作取得突破性進(jìn)展,光纖激光器的輸出功率水平不斷得到提高。國外,德國耶魯大學(xué)、美國JDSU公司、英國的SPI公司及日本的Fujikura公司等相繼實(shí)現(xiàn)了千瓦以上的功率輸出[1-3],基于同帶泵浦技術(shù)和分布式側(cè)面耦合技術(shù),美國IPG公司分別在2009年和2012年實(shí)現(xiàn)了單纖單模9.6 kW和20 kW的光纖激光輸出[4-5],這也是目前光纖激光器的最高水平。國內(nèi),國防科技大學(xué)、華中科技大學(xué)、清華大學(xué)、天津大學(xué)、上海光學(xué)精密機(jī)械與物理研究所、西安光纖精密機(jī)械研究所等研究單位以及武漢銳科、深圳創(chuàng)鑫、山東海富等激光器廠商都在高功率光纖激光器的研究領(lǐng)域取得了突破性進(jìn)展,多家單位已經(jīng)成功實(shí)現(xiàn)千瓦級(jí)以上的功率輸出[6-12]。

眾所周知,輸出功率是描述激光器輸出特性的一個(gè)重要參數(shù),激光器的輸出功率大小及其穩(wěn)定性直接決定了它的性能和用途。因此,對(duì)激光器輸出功率的影響因素進(jìn)行研究具有重要意義。在激光器的實(shí)際搭建過程中,增益光纖的長度和彎曲半徑的選擇將直接影響諧振腔的效率,其中彎曲半徑的選擇同時(shí)還會(huì)影響激光器的模式選擇和控制,進(jìn)而影響光束質(zhì)量的優(yōu)劣,而激光器制冷溫度的設(shè)定既會(huì)影響激光器的效率,同時(shí)也會(huì)對(duì)激光器整機(jī)的穩(wěn)定性造成重要的影響。

本文基于單諧振腔結(jié)構(gòu),對(duì)結(jié)構(gòu)緊湊、功率穩(wěn)定的全光纖型連續(xù)光纖激光器進(jìn)行了研究。比較分析了增益光纖長度、盤繞半徑、制冷溫度等不同條件對(duì)激光器輸出功率和激光效率的影響,利用最優(yōu)化的參數(shù)制作了光纖激光器整機(jī),實(shí)現(xiàn)了中心波長1080.0 nm,光束質(zhì)量M21.2,功率1135 W的連續(xù)激光輸出,光-光轉(zhuǎn)換效率84.2 %,斜率效率87.7 %。并且該激光器在72小時(shí)內(nèi)的功率不穩(wěn)定性僅為1.38 %。

2 實(shí)驗(yàn)裝置

單諧振腔型高功率光纖激光器結(jié)構(gòu)圖如圖1所示。采用18只凱普林帶尾纖輸出的半導(dǎo)體激光器(LD)作為泵浦源,LD最大輸出功率為70 W,中心波長為976 nm,泵浦光經(jīng)(18+1)×1合束器,以前向泵浦的方式耦合進(jìn)激光諧振腔,合束器由朗光公司提供,單臂承受功率120 W,最大泵浦功率可達(dá)2160 W。采用中國電子科技集團(tuán)第四十六所自行研制公司的20/400 μm摻鐿雙包層光纖(YDF)作為增益介質(zhì),該光纖在976 nm處的吸收系數(shù)為1.32 dB/m。選用ITF的雙包層光纖光柵構(gòu)成激光諧振腔的前后腔鏡,光柵的尾纖為20/400 μm的無源雙包層光纖(GDF),中心波長1080 nm,其中高反光柵的反射率>99 %,低反光柵的反射率為10 %。最后,采用自行研制的帶QBH端帽結(jié)構(gòu)的20/400 um傳能光纖進(jìn)行激光輸出,并在輸出端前通過包層功率剝離器(Cladding Power Stripper,CPS)對(duì)光纖包層中的殘余泵浦光進(jìn)行剝除。

圖1 單諧振腔光纖激光器原理圖

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果及分析

圖2給出了在盤繞半徑為6 cm,制冷溫度為25 ℃條件下,增益光纖長度分別為12 m、16 m、20 m時(shí),輸出激光功率隨泵浦功率的變化曲線。從圖中可以看出,增益光纖長度為16 m時(shí),激光器的光-光轉(zhuǎn)換效率最高；增益光纖為12 m時(shí),激光功率開始隨著泵浦功率增加而增大,但最后因?yàn)樵鲆婀饫w過短,泵浦光功率未被完全吸收而有剩余,因而導(dǎo)致激光轉(zhuǎn)換效率下降,泄露點(diǎn)溫度升高；而增益光纖為20 m時(shí),光纖長度過度增加也不會(huì)帶來激光功率的提升反而使激光輸出效率降低,這主要是因?yàn)榇藭r(shí)光纖長度長于最佳長度,過長的增益光纖會(huì)吸收掉部分信號(hào)激光因而造成輸出功率和效率的降低。因此需要合理選擇增益光纖的長度來獲得最大的功率輸出。

圖2 不同增益光纖長度下激光輸出功率情況對(duì)比圖

在增益光纖長度為16 m,制冷溫度為25 ℃時(shí),不同盤繞半徑條件下輸出激光功率隨泵浦功率的變化曲線如圖3所示。從圖中可以看出,在同一盤繞半徑下,輸出激光功率均隨泵浦功率增加而迅速增大,但泵浦功率相同時(shí),增益光纖盤繞半徑越小,光纖吸收效率越高,因此導(dǎo)致輸出激光功率越高。但是,增益光纖的盤繞半徑不能一味地減小,若盤繞半徑過小,會(huì)導(dǎo)致光纖的彎曲損耗增加,進(jìn)而導(dǎo)致激光器的效率下降。

圖3 不同盤繞半徑下激光輸出功率情況對(duì)比圖

圖4為鐿纖長度16 m,盤繞半徑6 cm時(shí),不同制冷溫度條件下輸出激光功率隨泵浦功率的變化曲線。由圖中可以看出,20 ℃制冷條件下激光器的光-光轉(zhuǎn)換效率最低,30 ℃時(shí)激光器的光-光轉(zhuǎn)換效率在開始階段比25 ℃時(shí)高,但最后卻低于25 ℃時(shí)的光-光轉(zhuǎn)換效率,這是因?yàn)?0 ℃制冷條件下,泵浦LD的波長隨著電流增加最先達(dá)到最佳吸收波長,但隨著電流繼續(xù)增加,LD波長繼續(xù)漂移,偏離了最佳吸收波長,而25 ℃制冷條件下,LD的最佳吸收波長正好出現(xiàn)在最大電流時(shí),因此導(dǎo)致25 ℃制冷條件時(shí)最高電流下的光-光轉(zhuǎn)換效率要比30 ℃制冷條件時(shí)高。因此,合理選擇激光器的制冷溫度可以使得激光器的效率和穩(wěn)定性得到進(jìn)一步提升。

圖4 不同制冷溫度下激光輸出功率情況對(duì)比圖

選用最優(yōu)化的實(shí)驗(yàn)參數(shù),即鐿纖長度16 m,盤繞半徑6 cm,制冷溫度25 ℃,制作了一臺(tái)千瓦級(jí)激光器,激光器輸出功率隨泵浦功率的變化曲線如圖5所示。從圖中可以看出,隨著泵浦功率的逐漸增大,激光功率幾乎呈線性增長,并且最后也未出現(xiàn)飽和趨勢(shì),可以預(yù)測,若繼續(xù)增大泵浦功率,激光輸出功率還會(huì)進(jìn)一步提高。最終在泵浦功率為1348.3 W時(shí),獲得的激光輸出功率為1135 W,激光器的光-光轉(zhuǎn)換效率為84.2 %,斜率效率為87.7 %。輸出功率為1135 W時(shí)測得的激光器光束質(zhì)量M2為1.2,激光光斑如圖5中插圖所示,該激光器實(shí)現(xiàn)了準(zhǔn)單模輸出。激光器最高輸出功率時(shí)獲得的激光光譜圖如圖6所示,從圖中可以看出該激光器中心波長為1080.0 nm,976 nm波長處無多余泵浦光殘留,說明泵光被完全吸收。并且在1130 nm波長附近也未出現(xiàn)新的峰值,說明激光器并未產(chǎn)生受激拉曼散射現(xiàn)象。

圖5 激光輸出功率隨泵浦功率變化曲線圖

圖6 激光光譜圖

考慮到增益光纖涂覆層長時(shí)間穩(wěn)定工作的溫度為80 ℃,實(shí)驗(yàn)采用了良好的制冷方法及散熱處理方法,監(jiān)測了不同激光輸出功率情況下激光器系統(tǒng)中最高溫度點(diǎn)(增益光纖YDF與高反光柵HR的熔接點(diǎn))的溫度特性,測試結(jié)果如圖7所示。結(jié)果表明:在最高輸出功率為1135 W 時(shí),熔點(diǎn)的溫度為37.5 ℃,表明光纖熔點(diǎn)溫度在穩(wěn)定工作范圍內(nèi),通過增加抽運(yùn)功率有望進(jìn)一步提高激光器輸出功率。

圖7 激光器光纖熔點(diǎn)溫度變化曲線

為進(jìn)一步驗(yàn)證激光器的穩(wěn)定性,監(jiān)測了整機(jī)輸出功率長時(shí)間下的穩(wěn)定情況。經(jīng)過72 h滿功率連續(xù)激光輸出,功率輸出穩(wěn)定性如圖8所示,根據(jù)圖8中數(shù)據(jù),我們得到該激光器的功率不穩(wěn)定性為1.38 %。實(shí)驗(yàn)結(jié)果證明該激光器工藝成熟,性能穩(wěn)定可靠,可以滿足工業(yè)化應(yīng)用要求。

圖8 激光器功率穩(wěn)定性測試數(shù)據(jù)

4 結(jié) 論

基于單諧振腔結(jié)構(gòu),研究了增益光纖長度、盤繞半徑、制冷溫度等條件對(duì)激光輸出功率的影響。結(jié)果表明,選用最優(yōu)的參數(shù),在同等水平的泵浦功率下,激光器可獲得更高的輸出功率及效率。最終在鐿纖長度16 m,盤繞半徑6 cm,制冷溫度25 ℃條件下,搭建的光纖激光器獲得了1135 W的功率輸出,光束質(zhì)量M2為1.2,中心波長1080.0 nm,光-光轉(zhuǎn)換效率84.2 %,斜率效率87.7 %。該激光器光路溫度安全可控,經(jīng)過72 h滿功率連續(xù)激光輸出,功率不穩(wěn)定性僅為1.38 %。使用本文實(shí)驗(yàn)裝置搭建的激光器整機(jī)結(jié)構(gòu)更加緊湊,維護(hù)更加簡單,這極大的提高了其在激光切割、焊接、精密打孔等激光加工領(lǐng)域的實(shí)用性。