基于M型摻鐿光纖的近單模2 kW 光纖放大器*

林賢峰 張志倫 邢潁濱 陳瑰 廖雷 彭景剛 李海清 戴能利 李進延?

1)(華中科技大學(xué),武漢光電國家研究中心,武漢 430074)

2)(武漢長進激光技術(shù)有限公司,武漢 430206)

模式不穩(wěn)定效應(yīng)和非線性效應(yīng)已經(jīng)成為高功率光纖激光器中限制輸出功率和光束質(zhì)量進一步提升的主要障礙.采用改進的化學(xué)氣相沉積工藝結(jié)合溶液摻雜技術(shù)制備25/400 μm 的M型摻鐿雙包層光纖,纖芯和中間凹陷區(qū)域的數(shù)值孔徑分別為0.054 和0.025.基于該光纖搭建976 nm 雙向泵浦全光纖結(jié)構(gòu)放大器.在泵浦光功率為3283 W 時,獲得2285 W 中心波長為1080 nm 的激光輸出,3 dB 線寬為3.01 nm,測量的光束質(zhì)量因子為1.42,且未出現(xiàn)受激拉曼散射現(xiàn)象.這是目前基于M型摻鐿光纖實現(xiàn)的最高輸出功率,通過優(yōu)化光纖結(jié)構(gòu)參數(shù)實現(xiàn)功率進一步提升是有希望的.

1 引言

光纖激光器是最有前途的固態(tài)激光器之一,具有光束質(zhì)量優(yōu)良、轉(zhuǎn)換效率高、結(jié)構(gòu)緊湊、高效散熱和易維護等顯著優(yōu)點[1],已經(jīng)極大地促進了工業(yè)制造、軍事國防、現(xiàn)代醫(yī)療和科學(xué)研究等諸多領(lǐng)域的發(fā)展.近二十年來,由于雙包層光纖制造工藝的不斷成熟和泵浦源亮度的增強,光纖激光器的輸出功率有了顯著的提升[2-6].在全光纖激光放大器方面,IPG 公司在2009 年[4]和2013 年[5]分別報道了10 和20 kW 的全光纖激光系統(tǒng).在全光纖激光振蕩器方面,日本藤倉公司在2020 年實現(xiàn)了輸出功率為8 kW 的全光纖振蕩器[6].但是伴隨著激光功率的不斷提升,這會導(dǎo)致光纖纖芯的能量密度很高,容易產(chǎn)生強烈的非線性效應(yīng)(nonlinear effects,NLEs)[7],如受激布里淵散射、受激拉曼散射(stimulated Raman scattering,SRS).為了克服NLEs,最直接有效的手段就是增大纖芯尺寸以降低纖芯功率密度.這樣,光纖自然就不可避免地支持多個模式,引起光束質(zhì)量的下降并觸發(fā)模式不穩(wěn)定(mode instability,MI)效應(yīng)[8,9].這兩種有害效應(yīng)表現(xiàn)出相反的趨勢:一方面,通過增加模場直徑可以減小NLEs;另一方面,這通常會導(dǎo)致MI 閾值降低.因此,在光束質(zhì)量優(yōu)良的前提下實現(xiàn)功率提升仍然是一項具有挑戰(zhàn)性的任務(wù),挑戰(zhàn)在于找到同時將MI 和NLEs 影響最小化的光纖設(shè)計.為了在大模場面積(LMA)光纖繼續(xù)保持單模運轉(zhuǎn),研究人員們已經(jīng)提出了一些特殊的橫向結(jié)構(gòu)設(shè)計,例如低數(shù)值孔徑(numerical aperture,NA)光纖[10]、手性耦合芯光纖[11]、光子晶體光纖[12]、大節(jié)距光纖[13]、部分摻雜光纖[14]、M型光纖[15]等.其中,M型光纖因折射率剖面(refractive index profile,RIP)的形狀類似于字母“M”而得名,具有如下特殊性質(zhì):增強泵浦吸收效率[16]、激發(fā)高階模用于色散管理[17,18]、平坦基模分布用于抑制非線性效應(yīng)[19-21].此外,M型光纖可以打破NA 和模場面積縮放之間的嚴格權(quán)衡[22].與纖芯NA 相同的階躍光纖相比,M型光纖具有更大的模場面積,這有助于避免非線性效應(yīng).然而,關(guān)于M型光纖在大功率連續(xù)激光實驗中的報道相對較少.2018 年,華中科技大學(xué)的Liu等[23]報道了基于包層溝道輔助的中間凹陷光纖獲得了456 W 近衍射極限激光輸出.截止目前,基于M型光纖的千瓦級光纖激光器尚未有報道.

本文首先借助COMSOL 軟件計算分析折射率凹陷的深度及寬度對M型光纖有效模場面積和彎曲損耗的影響,并確定設(shè)計尺寸范圍.接著采用改善的化學(xué)氣相沉積(modified chemical vapor deposition,MCVD)工藝結(jié)合溶液摻雜技術(shù)制備出25/400 μm M型光纖,并基于此光纖搭建976 nm雙向泵浦全光纖放大器,獲得最高功率為2285 W的激光輸出,光束質(zhì)量為M2≈1.42.

2 實驗結(jié)果

2.1 光纖結(jié)構(gòu)模擬計算

圖1 給出了M型光纖的折射率剖面及橫截面結(jié)構(gòu).圖中的ndip,ncore和nclad分別表示中間凹陷區(qū)域的折射率、纖芯的折射率和石英包層的折射率,并且ncore＞ndip＞nclad.d和r分別代表中間凹陷區(qū)域的半徑和纖芯的半徑.Δn1表示中間凹陷區(qū)域與纖芯的折射率差,Δn2表示纖芯與包層的折射率差.采用基于有限元法的COMSOL 軟件結(jié)合完美匹配層(perfectly matched layer,PML)來計算分析M型光纖的結(jié)構(gòu)特性.當(dāng)對光纖施加彎曲時,其擾動的折射率分布可利用保角映射方程[24]來表示:

圖1 M型光纖的折射率剖面;插圖為M型光纖的端面Fig.1.Refractive index profile of the M-type fiber.Inset is the end facet of an M-type fiber.

其中,nbent和nstraight分別代表彎曲光纖和直光纖的折射率分布;x是光纖截面上相對于纖芯中心的橫向位置;R是彎曲半徑;ρ是彈光效應(yīng)的校正因子,這里取為1.25.

有效模場面積(effective mode area,EMA)Aeff和限制損耗(confinement loss,CL)是光纖的兩個關(guān)鍵參數(shù),可以表示為[25]

其中,E是電場分布,是傳播常數(shù),neff是對應(yīng)模式的有效折射率,λ是工作波長.

本節(jié)固定不變的計算參數(shù)有:λ=1.08 μm,r=12.5 μm,nclad=1.45,ncore=1.4510.首先模擬了直光纖情況下中間凹陷的深度Δn1與寬度d對基模EMA 的影響,結(jié)果見圖2(a).可以直觀地看出,固定d不變,EMA 隨著Δn1的增加而增加.固定Δn1不變,隨著d的增加,EMA 先增大后減小.另外,Δn1越大,最大的EMA 出現(xiàn)在越大的d值處.在模擬過程中也發(fā)現(xiàn)到,在獲得EMA 最大值的d值處的基模電場分布并非呈現(xiàn)平坦分布.圖2(b)給出了Δn1=6×10—4下的d=10 μm (取得最大EMA 約為676.79 μm2)對應(yīng)的電場分布和d=8.9 μm (EMA 約為664.44 μm2)的平坦電場分布.

眾所周知,單模運轉(zhuǎn)是獲得高光束質(zhì)量輸出的必要條件.對于彎曲狀態(tài)下的限制損耗被視為彎曲損耗.根據(jù)文獻[26,27],可以實現(xiàn)單模運轉(zhuǎn)的條件是基模的彎曲損耗小于0.1 dB/m,而高階模的彎曲損耗大于1 dB/m.因為其他高階模的彎曲損耗一般都比LP11的高,所以高階?？紤]的是最小彎曲損耗的LP11.在模型中添加彎曲并保持30 cm彎曲直徑,計算了不同的Δn1和d下LP01和LP11的彎曲損耗,結(jié)果如圖2(c)和圖2(d)所示.在一定d下,LP01和LP11的彎曲損耗隨著Δn1的增加而增加,但增幅比例逐漸變小.在一定Δn1下,隨著d的增加,LP01和LP11的彎曲損耗剛開始是很緩慢增加,然后迅速成倍增加;并且在越大的Δn1下,這種迅速上升的斜率越大.在該彎曲條件下符合單模運轉(zhuǎn)條件的結(jié)構(gòu)參數(shù)僅有:Δn1=4×10—4,9.5 μm≤d≤12.5 μm;Δn1=6×10—4,d=8.5 μm;Δn1=8×10—4,d=7.5 μm.

圖2 (a)不同纖芯中間凹陷的深度(Δn1)及寬度(d)下基模的有效模場面積;(b)當(dāng)Δn1=6×10—4 時,d=8.9 和10 μm 的基模歸一化電場(插圖為相應(yīng)的電場橫向分量表面輪廓);在彎曲直徑30 cm 下,不同的Δn1 及d 下(c)LP01 和(d)LP11 的彎曲損耗Fig.2.(a)EMA of FM for different depth (Δn1)and width (d)of central dip in core;(b)when Δn1=6×10—4,normalized electric field of FM for d=8.9 and 10 μm (Insets are the corresponding surface profiles of the transverse component of the electric fields);the bending losses of (c)LP01 and (d)LP11 for different Δn1 and d under a bending diameter of 30 cm.

2.2 光纖制備

采用成熟的MCVD 工藝結(jié)合溶液摻雜技術(shù)制備出光纖預(yù)制棒,使用光纖預(yù)制棒分析儀P104(Photon Kinetics)測得折射率剖面見圖3(a).預(yù)制棒Z方向上100,200 和300 mm 作為3 個測量點,它們對應(yīng)的折射率剖面基本一致,這反映出預(yù)制棒的縱向均勻性比較不錯.n1與n3的折射率差是0.0010,n2和n3的折射率差是0.00022,相應(yīng)地,n1與n3對應(yīng)的NA 是0.054,n2和n3對應(yīng)的NA是0.025.將預(yù)制棒打磨成八邊形,然后經(jīng)過高溫拉絲獲得尺寸為25/400 μm 的雙包層光纖.按光纖與預(yù)制棒之間的尺寸比例,從預(yù)制棒折射率剖面數(shù)據(jù)換算得到光纖的折射率剖面(如圖3(b)所示),可以看出折射率凹陷區(qū)域?qū)挾却蠹s是8 μm,僅偏離理想尺寸0.5 μm.光纖內(nèi)元素濃度分布通過電子探針顯微分析儀(electron probe microanalysis,EPMA)測量,結(jié)果如圖3(c)所示.Yb3+和Al3+離子沿徑向分布保持基本一致,Ce3+離子中間相比兩側(cè)低,F－離子呈相反分布.利用有限元分析方法對該光纖對應(yīng)的折射率剖面進行模擬,結(jié)果如圖3(d)所示.LP01和LP11彎曲損耗隨彎曲直徑減小而增大,彎曲直徑在26—30 cm 可以滿足單模運轉(zhuǎn)標準.相應(yīng)地,EMA 保持在505—525 μm2范圍內(nèi).

圖3 (a)光纖預(yù)制棒折射率剖面;(b)光纖折射率剖面;(c)纖芯區(qū)域元素分布;(d)LP01 和LP11 模式的彎曲損耗及LP01 模式的有效模場面積隨彎曲直徑變化關(guān)系(插圖為LP01 和LP11 模式在彎曲下的模場分布)Fig.3.(a)Refractive index profile of the fiber preform;(b)refractive index profile of the fiber;(c)elemental distribution in fiber core region;(d)the bending loss of LP01 and LP11 modes and the EMA of LP01 mode as a function of the bending diameter (Insets are mode filed distributions of LP01 and LP11 modes under bending).

2.3 光纖激光性能測試

采用主振蕩功率放大(master oscillator power amplifier,MOPA)全光纖激光系統(tǒng)測試該光纖,系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖4 所示,振蕩器部分包括普通20/400 μm 摻鐿雙包層光纖和一對光纖布拉格光柵,高反射率光纖布拉格光柵(high reflectivity fiber Bragg grating,HR-FBG)和輸出耦合光纖布拉格光柵(output coupler fiber Bragg grating,OC-FBG)在1080 nm 工作波長處分別提供99.9%和11%的反射率.在本實驗中,振蕩級提供100 W 種子激光.為了提高種子光的光束質(zhì)量,在種子光注入放大級前,采用包層光剝離器(cladding light stripper,CLS)去除多余的泵浦光和包層激光.功率放大級采用雙向泵浦結(jié)構(gòu),12 個中心波長為976 nm 的半導(dǎo)體激光器(laser diode,LD)熔接到前向及后向(6+1)× 1 個合束器的泵浦臂上.前向泵浦合束器和后向泵浦合束器的信號輸入光纖的尺寸為25/250 μm,輸出光纖的尺寸為25/400 μm.增益光纖采用上述制備獲得的25/400 μm M型光纖,該光纖在976 nm 處的吸收系數(shù)測量為1.3 dB/m,為保證足夠的泵浦吸收采用19 m 長光纖,總吸收達到24.7 dB.增益光纖采取“小圈注入、大圈輸出”跑道型盤繞方式,彎曲直徑從26 cm 到28.3 cm.最后經(jīng)CLS 和石英塊輸出頭(quartz block header,QBH)輸出.在整個實驗過程中,分別采用功率計(power meter,PM)、光譜分析儀(optics spectrum analyzer,OSA)、光電探測器(photoelectric detector,PD)和激光質(zhì)量監(jiān)測儀(laser quality monitor,LQM)記錄功率、光譜、時域和光束質(zhì)量.

圖4 全光纖放大器的實驗裝置Fig.4.Experimental setup of the all-fiber amplifier.

首先進行前向泵浦方案實驗,輸出功率-泵浦功率曲線如圖5(a)所示.從紅色實線可以看出,輸出激光功率基本處于線性增長.當(dāng)注入的泵浦功率為2283 W,輸出功率達到1547 W,對應(yīng)的光光效率為63.6%,此時的輸出光譜(如圖5(a)的插圖所示)的3 dB 線寬為2.14 nm.測得的光光效率偏低的原因主要是有源光纖與后向合束器的模場不匹配,導(dǎo)致纖芯中激光泄漏到包層中產(chǎn)生熱量,在實驗中觀察到后向合束器的殼體承受著高溫的現(xiàn)象證實了該原因.圖5(b)給出了PD 采集到的時域信號及經(jīng)傅里葉變換的頻域信號,當(dāng)輸出功率從1493 W 增加到1530 W 時,時域上發(fā)生清晰的抖動,并且頻域上也出現(xiàn)0—5 kHz 范圍的特征峰,表明此時激光器出現(xiàn)了MI 現(xiàn)象.

圖5 前向泵浦的實驗結(jié)果 (a)不同泵浦功率下的輸出功率和效率(插圖為最高輸出功率下的光譜);(b)不同輸出功率下的時域信號(插圖)及對應(yīng)的頻域信號Fig.5.Experimental results of forward-pumping:(a)Output power and efficiency at different pump powers (Inset is spectrum at the highest power);(b)time domain signal (inset)and corresponding frequency domain signal at different output powers.

接下來進行后向泵浦方案實驗,實驗結(jié)果如圖6 所示.當(dāng)泵浦功率為2218 W,最高輸出功率達到1602 W,對應(yīng)的光光效率為67.7%,輸出光譜的3 dB 線寬為1.56 nm.此外,當(dāng)輸出功率達到1481 W,時域和頻域上已經(jīng)出現(xiàn)了明顯的MI 特征.回顧前向泵浦方案的結(jié)果,意外發(fā)現(xiàn)到該光纖在后向泵浦下的MI 閾值比前向的低.其中可能的原因正如文獻[28]所描述:一是有源光纖在后向泵浦方案中產(chǎn)生更大的溫度梯度.此外,該實驗中后向合束器的嚴重發(fā)熱進一步拉大前、后向泵浦方案之間的溫度梯度差距.二是因為“小圈注入、大圈輸出”跑道型盤繞方式導(dǎo)致靠近信號注入端的光纖部分能更好地抑制高階模,這也意味著前向泵浦方案TMI 閾值可能會偏高.

圖6 后向泵浦的實驗結(jié)果 (a)不同泵浦功率下的輸出功率和效率(插圖是最高輸出功率下的光譜);(b)不同輸出功率下的時域信號(插圖)及對應(yīng)的頻域信號Fig.6.Experimental results of backward-pumping:(a)Output power and efficiency at different pump powers (Inset is spectrum at the highest power);(b)time domain signal (inset)and corresponding frequency domain signal at different output powers.

最后進行雙向泵浦方案實驗,測量的輸出激光功率和光光效率隨泵浦光功率的變化如圖7(a)所示.當(dāng)泵浦功率達到3283 W (前向/后向泵浦占比為0.4),獲得了2285 W 的最大功率輸出,對應(yīng)的光光效率為66.5%.圖7(b)為不同功率下的輸出激光光譜,無SRS 信號顯示,最高輸出功率對應(yīng)光譜的3 dB 線寬從100 W 種子光的1.30 nm 展寬到3.01 nm.圖7(c)給出在輸出功率為2107 和2252 W 運行下輸出激光的時域信號及相應(yīng)的頻域信號.在輸出功率為2107 W 運行下,時域信號相當(dāng)穩(wěn)定,在相應(yīng)的頻域沒有明顯的頻率分量.當(dāng)輸出功率上升到2252 W,觀察到時域信號的周期波動,并且頻域上存在一些特征耦合頻率分量,由此可以判斷出此時已經(jīng)出現(xiàn)MI 現(xiàn)象.最高輸出功率下測量的M2因子和束腰的光束輪廓如圖7(d)所示,M2因子為1.42 (=1.468,=1.371).

圖7 雙向泵浦的實驗結(jié)果 (a)不同泵浦功率下的輸出功率和效率;(b)不同輸出功率下測量的光譜;(c)不同輸出功率下的時域信號(插圖)及對應(yīng)的頻域信號;(d)最高輸出功率時的激光光束質(zhì)量Fig.7.Experimental results of bidirectional pumping:(a)Output power and efficiency at different pump powers;(b)measured spectra at different output powers;(c)time domain signal (inset)and corresponding frequency domain signal at different output powers;(d)the laser beam quality at the maximum output power.

首次在千瓦功率級激光器系統(tǒng)驗證M型光纖,雖然功率提升受到MI 的限制,但是進一步優(yōu)化光纖有望實現(xiàn)更高的輸出功率.例如,M型光纖的尺寸減小到20/400 μm,并且其模場需要與后向合束器的輸出信號纖(25/400 μm 或30/400 μm)的模場匹配,這樣既保證了正常光光效率,也提升了MI閾值;另外,可以結(jié)合限制摻雜技術(shù)抑制高階模的增益,纖芯的凹陷區(qū)域中摻入增益離子,而高折射率環(huán)中不摻入增益離子.

3 結(jié)論

基于MCVD 工藝結(jié)合溶液摻雜技術(shù)制備了M型摻鐿雙包層光纖,纖芯/包層尺寸為25/400 μm.搭建976 nm 雙向泵浦MOPA 系統(tǒng)測試M型光纖,獲得2285 W 中心波長為1080 nm 激光輸出,對應(yīng)的光光效率為66.5%,輸出激光光譜的3 dB帶寬為3.01 nm,測得的光束質(zhì)量為M2≈1.42 .據(jù)我們所知,該結(jié)果是目前基于M型光纖達到的最高輸出功率.未來的工作將優(yōu)化M型光纖結(jié)構(gòu)參數(shù)以實現(xiàn)更高效率、更高功率的穩(wěn)定激光輸出.

感謝國防科技大學(xué)王小林老師、奚小明老師、葉云博士在相關(guān)測試方面的幫助.