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浅析光纤激光器采用976nm泵浦的优势

导读: 最近十多年来,随着泵浦源和激光器结构的不断改进,光纤激光器技术有了很大的提高。

最近十多年来,随着泵浦源和激光器结构的不断改进,光纤激光器技术有了很大的提高。基于掺镱光纤的激光器(YDF-laser)因为有着较高的电-光转换效率,较好的光束质量和稳定性等优势被广泛用于工业,科研等领域。

Fig 1, 不同金属材料的光谱吸收率

如今的大功率单模组光纤激光器早已能够轻松实现数KW级的光功率输出,这使得这类激光器在金属加工领域被广泛应用。在同等的光输出功率条件下,由于吸收率的不同,基于掺镱光纤的1微米光纤激光器比10微米的CO2激光器在加工金属材料时效率有显著的提升。Fig 1给出了不同金属材料的光谱吸收率,从图中可以看出大部分金属材料对光谱的吸收特性大致呈现出吸收率随着光波长增大而减少的趋势。金属材料对输出波长在1070 nm左右的掺镱光纤激光器相对于输出波长在10600nm的CO2 激光器明显更强。特别是金属铁在1070 nm波长条件下的吸收率比在10600 nm波长条件下提高了将近6倍。

Fig 2, 铝硅酸盐和磷硅酸盐掺镱(Yb)光纤对800~1100 nm光谱的相对吸收率

因为掺镱光纤对976nm和915 nm波长的光有非常强烈的吸收特性,所以这类激光器主要由发射上述波长的半导体激光器(LD)泵浦。Fig 2是两种典型的掺镱光纤对800~1100 nm光谱的相对吸收率,掺镱光纤在915nm 和 976 nm附近存在明显的特征吸收峰。976 nm光波在铝硅酸盐掺镱光纤中的吸收率是915 nm光波的将近3倍,在磷硅酸盐中前者的吸收率更是后者的近5倍。如此悬殊的吸收率差异,意味着这类激光器采用976 nm LD泵浦技术能够获得更高的光-光转换效率。同时更高的吸收率也意味着可以有效减少光纤的长度,从而在一定程度上限制有害的非线性效应。

Fig 3 不同Yb离子能态反转率导致的光子暗化(PD)损失随时间变化的曲线

目前大功率的稀土掺杂光纤激光器都需要面对光子暗化(Photodarkening)问题。这个问题导致激光器的输出功率减小,稳定性和工作寿命大幅度下降。光子暗化现象同样被大量报道存在于镱离子掺杂的光纤激光器中。当前人们普遍认为是由于玻璃基质中产生的色心(color-center)导致了这个现象。之前的研究报道提出了很多可能的方式去解决这个光子暗化问题,包括在光纤内共掺磷,利用405nm 激光进行光子漂白(photobleaching), 甚至是利用高温对发生光子暗化的光纤进行退火处理。其中共掺磷的方式虽然能够有效抑制光子暗化,但是却增大了背景损耗和数值孔径。

之前Koponen等人对光子暗化现象的研究表明光子暗化速度很大程度上取决于激发态镱离子的浓度,也就是镱离子的能态反转率(Yb inversion rate)。他们发现光子暗化速率同镱离子能态反转率的7次方成正比。在Fig 3中给出了在不同镱离子能态反转率条件下光子暗化损失随时间变化曲线。数据很直观地表明光子暗化率随着能态反转率的增加而急剧增大。

Fig 4  976 nm和920 nm泵浦条件下Yb 离子能态反转率随泵浦功率变化曲线

(假定反转率数据在标准方差小于1%时足够平滑)

在掺镱光纤中的能态反转率受到光纤的质量,泵浦功率,光反馈以及泵浦光波长等多个方面的影响。采用合适的泵浦光波长可以在很大程度上抑制光子暗化。将能态反转率粗略地定义成在某一泵浦光波长下光子吸收率同发射截面的比率,那么可以通过仿真得到掺镱光纤在976nm和920 nm两种泵浦光条件下的能态反转率随泵浦功率变化的曲线(Fig 4)。虽然上文Fig 2 中的吸收谱表明掺镱光纤对976 nm波长光的吸收特性明显强于其他波长,但是因为976nm波长光相对较大的发射截面,所以最终得到了比在920 nm泵浦光条件下更低的能态反转率。虽然数据并没有直接给出915 nm泵浦光条件下的能态反转率,但是从这个结果仍然可以推测出976 nm泵浦光源有着比前者更强的抗光子暗化潜力。

虽然976 nm泵浦方式有着更高的吸收率和光光转换效率可以有效减少增益光纤的长度,并且能够减少有害的光子暗化效应,但是其相对于915 nm泵浦方式在光纤处理和耦合上的技术难度更大。而且掺镱光纤在976 nm范围的吸收谱过于狭窄,泵浦源温度波动导致的波长变化很容易导致激光器输出功率不稳定,采用这种泵浦技术对激光器的热管理系统有非常严格的要求。正因为如此,目前只有少数的激光器厂商像德国的IPG,美国的Coherent-Rofin以及美国的GW等厂商在量产的工业激光器中大规模使用976 nm 泵浦源。

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