萬瓦級光纖激光雙色鏡合成技術*

奚小明 楊保來 王鵬 張漢偉 王小林? 韓凱 王澤鋒? 許曉軍 陳金寶

1) (國防科技大學前沿交叉學科學院,長沙 410073)

2) (國防科技大學南湖之光實驗室,長沙 410073)

3) (高能激光技術湖南省重點實驗室,長沙 410073)

高功率光纖激光具有光束質(zhì)量好、轉(zhuǎn)換效率高、熱管理方便和柔性傳輸?shù)葍?yōu)勢,在工業(yè)加工和國防領域具有廣泛的應用需求.目前,受限于光纖中的非線性效應和模式不穩(wěn)定效應,單鏈路光纖激光器輸出功率的提升遇到了巨大挑戰(zhàn).為突破單鏈路激光功率限制,本文基于雙色鏡合成技術,利用兩路自研近單模寬譜光纖激光放大器實現(xiàn)了10 kW 近單模合束激光輸出,合成效率約為98.3%,光束質(zhì)量因子M 2 約為1.29.為進一步提升功率,采用三路寬譜激光實現(xiàn)了13.52 kW 合束激光輸出,合成效率約為96.8%,光束質(zhì)量因子M 2 約為1.61.本文首次在實驗上驗證了雙色鏡合成技術的對寬譜激光的功率提升潛力和光束質(zhì)量保持能力,通過增加合成路數(shù)以及提高單路激光功率,有望在保持高光束質(zhì)量的情況下實現(xiàn)更高功率激光輸出.

1 引言

高功率光纖激光器具有電光轉(zhuǎn)換效率高、光束質(zhì)量好、熱管理方便和柔性傳輸?shù)葍?yōu)點,在工業(yè)加工、生物醫(yī)療和國防軍事等領域具有廣泛的應用需求[1-4].近年來,隨著雙包層光纖技術和高亮度半導體激光泵浦源的應用和發(fā)展,光纖激光器的輸出功率得到了大幅度提升.然而,隨著激光功率密度不斷增大,光纖中的受激拉曼散射、受激布里淵散射等非線性效應也變得越來嚴重,與模式不穩(wěn)定效應一起已然成為光纖激光器功率提升的主要限制因素[5,6].目前,在多模光纖激光器方面,雖然國內(nèi)包括工程物理研究院、國防科技大學、華中科技大學等在內(nèi)的多家單位在輸出功率上也相繼突破了20 kW 量級[7-9],但由于所用的增益光纖和傳能光纖的纖芯尺寸均較大,且未對輸出激光模式進行有效控制,導致輸出激光的光束質(zhì)量表現(xiàn)不佳.根據(jù)文獻[10]的報道,近單模光纖激光器最高輸出功率在過去很長一段時間基本沒有進展.

光束合成技術能夠?qū)崿F(xiàn)多路激光的相干或者非相干疊加,從而大幅度提升光纖激光器系統(tǒng)的輸出功率.作為光束合成技術的一種,光譜合成技術通過利用棱鏡、光柵或者雙色鏡等色散元件將不同頻率(波長)的激光合束和進行共孔徑輸出[11-13].該方法既能降低單鏈路激光功率的要求,又能保持單鏈路激光良好的光束質(zhì)量,是一種提升輸出激光功率的有效方法.而雙色鏡主要通過在鏡片的前后表面鍍上不同的膜系,分別實現(xiàn)兩束不同波長激光的高反和高透.通過膜系的設計和多組雙色鏡的組合,可實現(xiàn)多路不同波長激光的合束[14].

2018 年,美國密歇根大學Regelskis 等[15]利用雙色鏡方案實現(xiàn)了三路脈沖光纖激光器合成,合成平均功率為52 W,脈沖能量為1.9 mJ,合成效率達到90%.2009 年,德國耶拿大學Schmidt 等[16]利用3 個雙色鏡實現(xiàn)了四路脈沖激光的合束,合成后輸出平均功率208 W,脈沖能量6.3 J.2017 年,南京理工大學馬駿課題組[17]利用兩路寬譜光纖激光進行雙色鏡合束,單路激光器輸出功率分別為5.3 kW 和4.9 kW,光束質(zhì)量M2分別為5.55 和5.46,最終實現(xiàn)了10.12 kW 激光輸出,合成效率98.9%.由于所用的激光器是多模光纖激光器,且合束鏡較高的溫升導致光束質(zhì)量退化,輸出光束質(zhì)量M2＞10.2021 年,國防科技大學何旭寶等[18]基于雙色鏡方案實現(xiàn)了兩路千瓦級窄線寬光纖激光合束,輸出功率2.3 kW,光束質(zhì)量M2約為1.9,合成效率大于99%.2022 年,國防科技大學楊保來等[19]利用兩路寬譜光纖激光進行雙色鏡合束,實現(xiàn)了8 kW 近單模輸出,光束質(zhì)量M2約為1.5.

考慮到光纖激光器帶寬以及色散元件制備工藝的限制,為了保證合成效率和合成路數(shù)的要求,當前大部分光譜合成和雙色鏡合成實驗都是基于窄譜激光光源實現(xiàn)的.通過適當放寬合成光源的光譜寬度和匹配高質(zhì)量合成鏡片,采用寬譜光纖激光器和雙色鏡合成方案也是一種低成本高可靠性的技術途徑.本文通過對高功率光纖激光器模式和光譜進行有效控制,在多個波長實現(xiàn)了近單模5 kW級高功率光纖激光輸出.并基于雙色鏡合成技術,實現(xiàn)了兩路自研寬譜近單模光纖激光放大器合成10 kW 近單模激光輸出,合成效率約為98%,光束質(zhì)量因子M2約為1.29.為進一步提升功率,采用三路激光實現(xiàn)了13.52 kW 合束激光輸出,合成效率約為96.8%,光束質(zhì)量因子為M2約為1.61.實驗表明,通過增加合成路數(shù)以及提高單路激光器的功率,有望在保持高光束質(zhì)量的情況下實現(xiàn)更高功率激光輸出.

2 寬譜光纖激光放大器功率提升

為實現(xiàn)多路激光的雙色鏡合成,首先對合成所需要的光源(多波長高功率光纖激光器)的功率提升進行研究.如圖1 所示,單路光源的搭建采用主振蕩功率放大(MOPA)結構,由種子級和放大級兩部分組成.眾所周知,目前高功率光纖激光器的功率提升受限于光纖中的非線性效應和模式不穩(wěn)定效應(TMI).TMI 效應主要是由于光纖中的熱致瑞利散射導致基模(LP01)和高階模之間的能量耦合,其中最為重要的表象就是輸出功率的滯漲和光束質(zhì)量的退化.為了提升光纖激光器的TMI 閾值,采用中心波長為981 nm 的泵浦源對激光器進行泵浦.與常規(guī)976 nm 或者915 nm 泵浦源不同,981 nm 泵浦源通過降低有源光纖單位長度的熱負載,能夠顯著提升光纖激光器的TMI 閾值[20].

圖1 光纖激光放大器結構示意圖Fig.1.Schematic of the fiber amplifiers.

對于兩路合束而言,色譜合束裝置中只需要一片雙色鏡,根據(jù)雙色鏡的透射曲線,兩路激光器(Laser 1 和Laser 2)的中心波長選定為1065 nm和1080 nm.如圖1 所示,Laser 1 和Laser 2 的激光器結構相同,均采用雙向泵浦MOPA 結構.增益光纖為25/400 μm 摻鐿雙包層光纖(YDF),前后泵浦光分別通過一個(6+1)×1 泵浦/信號合束器(combiner)注入到增益光纖中,合束器的輸入輸出信號纖為25/400 μm 和25/250 μm,泵浦臂尾纖尺寸為220/242 μm.放大器產(chǎn)生的激光經(jīng)包層光剝除器(CLS)后從光纖端帽(QBH)輸出.對于Laser 1 而言,通過對前后向泵浦功率配比以及增益光纖彎曲半徑的優(yōu)化(最小彎曲半徑約為8 cm),實現(xiàn)了4.83 kW 的信號光輸出,最高輸出功率時的光譜如圖2 所示.輸出激光的中心波長為1064.24 nm,3 dB 和20 dB 帶寬分別為5.27 nm和18.78 nm,最高功率時的受激拉曼散射(SRS)抑制比約為33 dB.最高功率時測得兩個方向上的光束質(zhì)量M2分別約為1.17 和1.28.

圖2 兩路合束實驗中激光器在最高輸出功率時的光譜Fig.2.Optical spectra of the fiber amplifiers at the maximum output power for the dual-beam combination experiment.

對于Laser 2 而言,泵浦源和增益光纖同樣采用981 nm 半導體激光二極管(LD)和25/400 μm雙包層摻鐿光纖,利用雙向泵浦最高輸出功率達到5.35 kW,測得中心波長為1080.3 nm,3 dB 和20 dB 帶寬分別為4.61 nm 和19.54 nm,最高功率時的SRS 抑制比為32 dB.最高功率時測試得到光束質(zhì)量M2分別約為1.29 和1.36.

三路激光合束實驗需要用到兩片不同的雙色鏡(見后文圖8).考慮到雙色鏡的透反曲線,在兩路激光合束實驗的基礎上對激光器的中心波長進行調(diào)整.三路激光合束實驗的光源(Laser 3,Laser 4和Laser 5)的中心波長分別為1050 nm,1069 nm和1085 nm.對于Laser 3 而言,激光的中心波長比較接近鐿離子的自發(fā)輻射峰,需要特別注意激光器中的自發(fā)輻射效應(ASE)和SRS 效應.因此,如圖3 所示,為了控制激光器的非線性效應,采用976 nm 穩(wěn)波長LD 作為泵浦源,從而大幅縮短種子和放大級光纖的長度,并通過采用純后向泵浦結構設計,以獲得較高的TMI 和SRS 閾值.如圖4所示,Laser 3 在最高功率3.52 kW 時的中心波長為1050.5 nm,拉曼抑制比約30 dB,3 dB 帶寬3.89 nm.最高功率時的光束質(zhì)量M2約為1.32 和1.21

圖3 1050 nm 光纖激光放大器結構示意圖Fig.3.Schematic of the 1050 nm fiber amplifier.

圖4 三路合束實驗中單路激光器最高功率時的光譜Fig.4.Optical spectra of the fiber amplifiers for the threebeam combination experiment.

Laser 4 和Laser 5 沿用了兩路合成實驗中的光纖放大級,只是對種子進行了更換.Laser 4 在最高功率為4.83 kW 時的光光效率為83.6%,中心波長為1069.7 nm,3 dB 和20 dB 帶寬分別為5.42 nm和21.7 nm,最高功率時的SRS 抑制比為31.5 dB.最高功率時測試得到光束質(zhì)量為1.20/1.21.Laser 5在最高功率為5.33 kW 時的中心波長為1085.7 nm,3 dB 和20 dB 帶寬分別為3.44 nm 和20.9 nm,最高功率時的SRS 抑制比為38.5 dB,最高功率時測試得到光束質(zhì)量M2分別約為1.19 和1.26.

3 兩路寬譜激光色譜合束實驗研究

兩路激光合束實驗的實驗結構見圖5,合束系統(tǒng)包括雙色鏡(DM),準直器(CO)、光源Laser 1和Laser 2,以及高反鏡M1 和M2.裝置中,Laser 1輸出激光通過準直器(CO)后經(jīng)M1 反射,并入射到DM 的前表面.雙色鏡(DM)能夠?qū)崿F(xiàn)對Laser 1激光的高反以及Laser 2 激光的高透,從而實現(xiàn)兩路激光的合成.合束后的激光到達M2 后,絕大部分激光被反射,并利用擴束鏡對其擴束,擴束后的激光利用功率計進行功率測量.少部分透射的激光利用光束質(zhì)量測量儀(LQM)對其進行光束質(zhì)量測量.通過精密調(diào)節(jié)高反鏡和雙色鏡的反射角度,可以實現(xiàn)兩路激光光瞳和光軸的重合,即完成兩路激光的合束.

圖5 (a)兩路激光合束裝置示意圖和(b)雙色鏡透射曲線(CL,凹透鏡;PM,功率計)Fig.5.(a) Schematic diagram of the dual-beam combining setup;(b) transmission curve of the dichromatic mirror(CL,concave lens;PM,power meter).

實驗采用中國科學院光電技術研究所提供的雙色鏡作為合束鏡片.為了降低鏡片的熱效應,選擇高純度白寶石作為基片,基片的吸收率約為400 ppm(1 ppm=10-6).采用磁控濺射法在基片兩面分別鍍有高透膜和透反膜.膜系在透射和反射波段的吸收率分別約為200 ppm 和50 ppm.鏡片的透過率曲線如圖5(b)所示,雙色鏡的透射截止波長在1079 nm 附近,透過率曲線的陡度(從99%下降至0.1%的光譜寬度)約為11 nm.Laser 1 和Laser 2的中心波長約為1065 nm 和1080 nm.這兩個波長對應的透射率分別為0.01%和99.8%.對于Laser 1,一部分位于長波方向的激光由于超過了透射截止波長,這部分激光將會被雙色鏡反射,而對于Laser 2而言,部分短波的激光成分將會經(jīng)雙色鏡透射而泄漏.對于合束系統(tǒng)來說,這兩部分激光將作為廢光,無法被利用.因此合束系統(tǒng)的合束效率可以定義為

若忽略雙色鏡的吸收和高反鏡的透射等其他損耗,色譜合束系統(tǒng)的合成效率也可寫為

其中η為合成效率,Pintput為合束系統(tǒng)注入的激光總功率,Poutput為合束系統(tǒng)輸出的總功率,Pleak為合束鏡片泄漏的激光總功率.

用于合束的光源為兩路自研的5 kW 級近單模光纖激光放大器.其中,Laser 1 和Laser 2 的中心波長分別為1065 nm 和1080 nm,3 dB 線寬分別為5.27 nm 和4.61 nm.兩路激光的線性歸一化光譜以及雙色鏡的透射曲線如圖5(b)所示.合成后的功率、效率以及光譜如圖6 所示,在兩路激光輸出功率分別為4.83 kW 和5.35 kW 時,合束后輸出功率達到10.01 kW,泄漏光功率約為170 W.最高功率時合成效率約為98.3%.如圖7 所示,實驗測得單路光源以及合束激光的光束質(zhì)量因子M2分別為1.23,1.33 和1.29.可以看出合束系統(tǒng)保持了輸入光源近單模的光束質(zhì)量特性.

圖6 兩路合成實驗結果 (a)功率與效率;(b)合成輸出光譜和光斑Fig.6.Results of the dual-beam combining experiment:(a) Optical power and combining efficiency;(b) output spectrum and beam profile.

圖7 兩路合束系統(tǒng)中單路(a),(b)和合束后(c)激光的光束質(zhì)量測量結果Fig.7.Measured beam quality of the (a),(b) fiber amplifiers and the (c) dual-beam combined laser.

4 三路寬譜激光色譜合束實驗研究

為驗證色譜合束系統(tǒng)的擴展性和功率提升能力,在兩路激光色譜合束實驗的基礎上將合束系統(tǒng)擴展到三路.如圖8 所示,合束系統(tǒng)包括雙色鏡DM1 和DM2,光源Laser 3,Laser 4 和Laser 5,以及高反鏡M1,M2 和M3.利用DM1 實現(xiàn)Laser 3和Laser 4 的合成,合成后的激光再利用DM2 實現(xiàn)與Laser 5 的合成.考慮到雙色鏡透射截止波長以及對合成效率的影響,將Laser 4 的中心波長設置為兩條曲線的中間(～1069 nm),短波(Laser 3)和長波(Laser 5)光源的中心波長在兩路合成實驗的基礎上盡量拉開與Laser 4 的距離,確定了單路激光的中心波長分別為1050 nm,1069 nm 和1085 nm.

圖8 (a)三路激光合束裝置示意圖;(b)三路激光光譜以及雙色鏡的透射曲線Fig.8.(a) Schematic of the three-beam combining setup;(b) beam spectra and transmission curve of the dichromatic mirrors.

當三路激光器滿功率輸出時,測得的輸出功率分別為3.52 kW,4.83 kW 和5.33 kW.如圖9 所示,在最高功率時,三路激光器在x和y兩個方向上的光束質(zhì)量分別為1.32/1.21@1050 nm,1.20/1.21@1069 nm 以及1.19/1.26@1085 nm.通過三路色譜合成系統(tǒng)后,最高輸出功率為13.52 kW,測得光束質(zhì)量約為1.50/1.71.三路合成后的光譜和光束質(zhì)量如圖10 所示.此時,兩個雙色鏡泄漏的光功率約為443 W,根據(jù)(1)式計算得到合成效率約為96.8%.由于鏡片鍍膜工藝的限制以及雙色鏡透反曲線和激光器光譜的不匹配,功率加載過程中,兩個合束鏡片均存在一定的溫升,并在14 min 后接近熱平衡.DM1 和DM2 的最高溫度分別為35.9 ℃和34.4 ℃.得益于鏡片較小的溫度梯度(中心-邊沿溫度差約3 ℃),合成激光在出光的30 min 內(nèi)光束質(zhì)量幾乎保持不變.

圖9 單路激光光束質(zhì)量測量結果 (a) 1050 nm;(b) 1069 nm;(c) 1085 nmFig.9.Measured beam quality of the pre-combining lasers: (a) 1050 nm;(b) 1069 nm;(c) 1085 nm.

圖10 三路合束激光的(a)光譜和(b)光束質(zhì)量Fig.10.Optical spectrum (a) and beam quality (b) of the three-beam combined laser.

由此可以看出,利用寬譜激光作為光源進行色譜合束能夠滿足高效合束的需求,且合束后的光束能夠保持入射激光高光束質(zhì)量的特性.雖然在合成路數(shù)和合成效率方面,窄譜激光光源具有一定的優(yōu)勢,但由于非線性效應和模式不穩(wěn)定效應的限制,窄譜光纖激光的功率提升難度要比寬譜激光大得多.因此,利用寬譜激光進行合束可以顯著提升合束輸出功率的同時大大降低系統(tǒng)研制難度.

進一步提升輸出功率的途徑主要包括提高單路激光器的功率和增加合成路數(shù).分析認為兩者都面臨較大的難度.一方面,受限于模式不穩(wěn)定導致的功率滯漲和非線性效應導致的光譜展寬.另一方面,更多路數(shù)的合成給系統(tǒng)的穩(wěn)定性和可靠性提出了更高的要求.同時新增的短/長波激光在功率提升方面也存在一定難度.但是也可看出,這兩種措施是不同維度的舉措,可以共同作用.因此,也可認為本方案在提升合成激光輸出功率方面還存在較大的空間.

5 結論

本文采用雙色鏡色譜合成技術,基于兩路自研的近單模寬譜光纖激光放大器實現(xiàn)了10 kW 近單模激光合成輸出.兩路激光的中心波長分別為1065 nm 和1080 nm,合成激光的光束質(zhì)量因子M2約為1.29,合成效率約為98.3%.在此基礎上,本文還探究色譜合成方案的擴展能力,并采用三路自研寬譜光纖激光實現(xiàn)了13.52 kW 合束激光輸出,三路激光的中心波長分別為1050 nm,1069 nm 和1085 nm,合成激光的光束質(zhì)量因子M2約為1.61,合成效率約為96.8%.最高功率時合束鏡片溫升約為14 ℃.實驗結果表明,基于寬譜激光的雙色鏡合成裝置簡單、魯棒性強,無需復雜的控制電路和精密的光學裝校,且在保持光束質(zhì)量不退化的情況下能夠?qū)崿F(xiàn)較高的合成效率.選擇寬譜激光作為光源進行合束,也大大降低了對光源研制的要求,提升了合成激光的功率.通過增加合成路數(shù)以及提高單路激光器的功率,有望在保持高光束質(zhì)量的情況下實現(xiàn)更高功率激光輸出.