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基于大模场面积光纤的高功率光纤激光器与光纤放大器

2007-10-08 15:09
潇纵
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作者:中科院上海光机所 楼祺洪, 周军,何兵,李立波

随着大功率半导体激光技术的发展,半导体激光泵浦的固体激光器(DPSSL)在很大程度上克服了灯泵浦固体激光器的效率低、规模难以扩大、亮度随规模扩大而增大有限、介质热变形导致的光束质量下降等问题。随着半导体激光器阵列价格的下降和固体激光器性能的提高,高功率DPSSL必将获得更为广泛的应用。虽然DPSSL相对于CO2和灯泵Nd:YAG具有很大的优越性和竞争力,但由于在激光产生时总有一部分能量以无辐射跃迁的方式转换为热,对于常规的棒状DPSSL,高功率时存在严重的热透镜和热致双折射效应,从而使得光束质量下降。这部分热能量如何从棒状激光介质中散发、排除,成为获得高光束质量、高功率输出的关键。将块状激光介质做成薄片或拉成细长光纤形状,将会有效增大散热表面积,使表面积/体积比大大提高,有利于固体激光器散热问题的解决,这就是高功率固体激光器发展的两个重要方向:薄片激光器和光纤激光器

通常所说的光纤激光器,就是采用光纤作为激光介质的激光器,通过在光纤基质材料中掺杂不同的稀土离子,获得所对应波段的激光输出。对于常规的单模光纤激光器,要求注入到纤芯的泵浦光也必须为单模,这限制了泵浦光的入纤效率,导致光纤激光器的输出功率和效率较低。双包层光纤的提出,为提高光纤激光器的输出功率和转换效率提供了有效的技术途径,改变了光纤激光器只能作为一种小功率光子器件的历史。考虑到量子转换效率、抗激光损伤阈值和基底损耗等原因,掺镱石英双包层光纤是实现高功率光纤激光器或放大器的最佳选择。随着双包层光纤制作工艺和高功率半导体激光泵浦技术的发展,单根双包层光纤激光器的输出功率逐步提高,连续输出功率已经达到千瓦级。

大模场面积双包层光纤
双包层光纤中折射率呈典型的阶跃式分布,对于圆形的掺杂纤芯,双包层光纤激光器能否实现单模激光输出,取决于纤芯的直径d和数值孔径NA0,实际的单模条件为归一化频率

 (1)

要保证双包层光纤激光器实现单模激光输出,纤芯的参数必须满足上述条件。实际上,对于双包层光纤激光器来说,由于所用光纤较长,加之散射、光纤弯曲等因素的影响,当归一化频率2.4就双包层光纤本身来说,提升光纤激光器输出功率的障碍主要来自于掺杂纤芯,一是光纤端面的激光损伤,二是光纤中的非线性效应。纯石英的激光损伤阈值非常高,在脉冲激光下的损伤阈值约为100W/祄2,以此计算,典型单模纤芯似乎可以实现高达千瓦量级激光功率输出。实际上,100W/祄2是脉冲激光的峰值功率密度,对于连续激光来说,石英的激光阈值会远小于此值。特别是对于掺杂石英光纤来说,由于掺杂引起的纯度和均匀性的降低,大大降低了光纤端面的激光损伤阈值。为了保证光纤激光器的稳定与可靠,在光纤激光器设计时一般取1.5W/祄2。据此,对于典型的6~10祄纤芯直径的双包层光纤来说,其可能实现的激光功率也就在百瓦量级。

由于双包层光纤激光器纤芯中的激光功率密度非常高,且光纤较长,很可能产生非线性效应。光纤中主要的非线性效应包括:受激布里渊散射(SBS)、受激拉曼散射(SRS)和自相位调制(对脉冲激光来说)。对于窄带、连续波的激光在光纤中的传输,布里渊散射阈值Pth-B和拉曼散射阈值Pth-R分别可以按下式来粗略地估算: 
 (2)

(3)

其中gB和gR分别表示布里渊增益系数和拉曼增益系数,Score表示纤芯的横截面积,Leff表示有效作用长度。由于拉曼增益gR比布里渊增益gB低100倍以上,所以光纤中的拉曼散射阈值Pth-R远高于布里渊散射阈值Pth-B。正因如此,对于窄谱线光纤激光器来说,限制输出功率、提升主要非线性效应是光纤中的受激布里渊散射。根据公式(2),通过增大纤芯面积和减小光纤长度,可增大受激布里渊散射的阈值,有利于更高功率激光的输出。

根据公式(1),为了实现低阶模、高光束质量的激光输出,并且尽可能克服端面激光损伤和非线性效应这两个因素对功率提高带来的限制,在设计和选用光纤时,应尽量减小NA0,并相应增大纤芯直径(如图1),从而使得基横模LP0的模场直径变大。这种通过降低NA实现大纤芯直径的技术称为大模场面积光纤(large-mode-area fiber,LMAF)技术。但是,由于光纤材料选择本身的限制,对于折射率阶跃分布的双包层光纤来说,纤芯NA0也不可能很小。目前技术上可实现的最小NA0为0.05~0.06,对应最大的单模纤芯直径约为17祄。纤芯面积的增大一方面提高了激光损伤和非线性效应的阈值,同时还使得光纤的储能增加,有利于提高脉冲能量;另一方面,纤芯和内包层横截面积之比也大大增加,提高了光纤对泵浦吸收的效率,这样就可以采用较短的光纤实现高功率激光输出。同样,光纤长度的变短也有利于克服非线性效应对输出功率提高的限制。


 
图1.纤芯直径和数值孔径的关系曲线。

正是由于大模场面积光纤的出现,再加上高功率泵浦耦合技术的发展,才使得近两年光纤激光器的输出功率得以快速提高。从技术上讲,虽然可以通过控制光纤材料和拉制工艺降低NA0,但从目前的报道来看,高功率光纤激光器所用光纤的NA0在0.7~0.9之间,即使V=4.0,相应的最大纤芯直径不超过20祄。考虑到光纤端面的激光损伤和光纤中的非线性效应,单根双包层光纤要实现上千瓦级的功率输出,就要突破单模光纤的限制,采用多模双包层光纤,这就又带来光纤激光的多模场振荡问题。大模场面积光纤激光的多模输出是不希望出现的,为了克服这一问题,人们在光纤结构设计及光纤盘绕方式上进行了深入研究,提出了实现低阶模激光输出的模式控制或模式选择技术。

采用光子晶体光纤的概念,在光纤的内包层掺杂纤芯的周围按一定的规律排布空气小孔,以起到调制内包层折射率、使内包层的等效折射率降低的目的。采用这种技术的光子晶体双包层光纤实现了单模大模场直径,单模模场面积可达1000祄2。

高功率连续波光纤激光器
连续输出的高功率双包层光纤激光器的结构比较简单,采用的是基本的F-P腔型。为了实现泵浦光到双包层光纤内包层的高效注入,目前已经有多种泵浦耦合技术,如透镜直接聚焦耦合技术、V形槽耦合技术、内嵌反射镜耦合技术、熔锥侧面耦合技术等。但在高功率光纤激光器中,最简单有效的泵浦耦合方式为透镜直接聚焦耦合,可以采用单端或双端将泵浦耦合入光纤内包层。

对于内包层数值孔径为NA1,横截面积为Sclad的双包层光纤,若泵浦光的亮度用B(W/cm2.ster)表示,内包层中可以传输的泵浦光功率PT可表示为,


 
(4)

可见,对于一定的泵浦光亮度,增大内包层尺寸Sclad和NA1有利于更大的泵浦光功率的传输,因此,为了实现高功率泵浦光的注入,一方面发展高亮度泵浦源技术,提高泵浦光亮度;另一方面双包层光纤的内包层尺寸应较大,一般应大于300祄2,数值孔径一般应大于0.33。

上海光机所于2001年底开始双包层光纤激光器的研究,相继实现了输出功率为4.9W、50W、115W、444W的连续双包层光纤激光器。在掺镱双包层光纤的研发方面,上海光机所同烽火通信科技股份有限公司合作,实现了高性能双包层光纤的国产化。在2005年实现的444W连续输出光纤激光器中,采用的就是由烽火通信科技股份有限公司提供的双包层光纤,光纤长度15米,内包层为D形450/400祄,NA为0.37,纤芯为30祄。借助于半导体激光的光束整形、空间滤波和非球面耦合技术,实现了高功率泵浦光到双包层光纤的高效率耦合,获得了波长1.1祄、功率为444W的连续激光输出。2006年11月,上海光机所采用由烽火科技提供的新型大模场直径双包层光纤,单根光纤获得了1050W的激光输出,斜率效率为78%。

基于MOPA方式的脉冲光纤激光器
对于连续工作的光纤激光器,光纤本身就是工作物质,一般采用结构简单的F-P腔结构,这样无需在腔内放置其他光学元件就可以获得高功率的激光输出。但如果从应用目标出发,连续工作的光纤激光能提供的靶面功率密度较低,脉冲工作的光纤激光或许更为有用。

 
 
图2. 平均输出功率曲线。

脉冲双包层光纤激光器是一种新型激光器,和普通的固体激光器相比,双包层光纤激光器具有很高的“表面积/体积”比,散热效果好,具有很高的转换效率和很低的阈值。双包层结构使泵浦光有较大的可入射面积,当光沿纤芯传播时,泵浦掺杂纤芯将产生亮度很高,而且光束质量接近衍射极限的激光输出。双包层光纤激光器在产生高平均功率脉冲激光方面具有相当大的潜力,它们可以成为替代某些调Q或锁模激光器的另一种高效多用途激光器。

在所有的掺杂光纤中,掺Yb光纤的优点最为突出,掺Yb石英材料具有优良的储能性能(32J/cm2的饱和能量,870祍上能级寿命),很宽的增益谱(975~1200nm),在LD的泵浦下,掺Yb光纤可以产生激光,还可以用来放大激光脉冲以提供高功率脉冲。脉冲双包层光纤激光器在通讯、医学、工业加工、生物学等领域有很大的应用价值。

脉冲输出的双包层光纤激光器大体上可分为内置调Q器件的调Q脉冲光纤激光器、利于非线性效应的脉冲光纤激光器和种子源主振荡放大(MOPA)脉冲光纤激光器三种。其中MOPA方式是实现高脉冲能量、高平均输出功率的理想方式。在这种方式中,采用高光束质量、小功率的固体或光纤激光器为种子光源,双包层光纤为放大器,借助于连续光纤激光器的泵浦耦合方式,就可以实现对种子光源的高功率放大。同样,对于常规的单模双包层光纤,由于纤芯细小,储能有限,放大输出的脉冲能量较小,大模场双包层光纤在高平均功率放大器中同样非常重要。


 
图3. 输出光谱曲线比较大模场
面积光纤激光器光束质量的改善。

上海光机所最近开展了基于MOPA方式的高重复频率脉冲双包层光纤激光器的研究。以高重复频率(20~1000KHz可调)的固体激光器作为种子源,以中心波长在975nm的高功率LD模块为泵浦,采用种子光和泵浦光从两端分别注入的方式,2003年10月获得了平均功率为6W的放大激光输出,波长为1064nm。通过和烽火通信合作,拉制出掺Yb大模场面积的高掺杂双包层光纤(内包层D形 650/600祄,NA 0.37, 纤芯 43祄),实现了特种双包层光纤的国产化。采用4m的国产双包层光纤作为放大器,通过空间滤波和非球面耦合光学系统,解决了种子光注入和泵浦光的高效耦合等问题,实现了高重复频率、高平均功率的脉冲放大输出。在重复频率为100kHz时,实现了133.8W平均功率的脉冲激光输出(见图2、图3)。

由于非线性效应和纤芯激光损伤的限制,常规单模双包层光纤的输出功率有限。增大纤芯直径有利于克服非线性效应和纤芯端面的激光损伤,从而可大幅度提高单根光纤的输出功率。但是纤芯横截面积的增大,也使得光纤激光器纤芯支持了较多的高阶模振荡,导致输出激光的光束质量变差。为获得高功率、高光束质量的激光输出,对大模场面积光纤激光器的模式控制尤为重要。 
 


图4. 不同环绕直径下光纤激光器的光束质量。
(1) R=200mm, M2=1.78±0.17
(2) R=93mm, M2=1.45±0.06
(3) R=65mm, M2=1.23±0.05
(4) R=20mm, M2=1.03±0.05


(1)缠绕法横模控制技术
缠绕光纤技术就是将一根多模增益光纤缠绕在一根圆柱型心轴上,选择圆柱型心轴的半径能够对基模(LP01)实现低损失而对LP11模和其他的高阶模式实现高损失。弯曲损耗可以被看成一个分布式的空间滤波器。这种技术的原理是:基模LP01对弯曲损耗最不敏感,而高阶模的弯曲损耗比较大,从而实现对高阶模的抑制。它可以允许纤芯直径大大超过单模限制,这样光纤激光器和放大器就能提高到更高的峰值功率和平均功率。再者,对于给定内包层面积的双包层光纤,泵浦吸收功率是随纤芯直径的平方而增加的,在增大纤芯直径的情况下就可以使用更短的光纤了。另外,如果同时增加纤芯和内包层就可以使用更大的更高功率泵浦源,而不必受到必须使用长光纤的限制。

上海光机所使用武汉烽火通信提供的掺Yb大模场面积的高掺杂双包层光纤进行实验,光纤内包层D形400/350祄,NA 0.37, 纤芯 16祄,NA0.10,纤芯的归一化频率V≈4.61,可支持四个LP模的振荡,光纤长度为8.5m。实验中通过采用不同的环绕半径来缠绕光纤,来实现各高阶模式的滤除,最后获得了光束质量因子M2=1.03的激光输出。(见图)。]


 
图5.拉锥前后光纤激光器的光束质量。

(2)光纤拉锥法横模控制技术
采用光纤拉锥技术实现模式控制的原理:可以将光纤的拉锥部分看成一个模式滤波器(mode filter,MF)。这种MF理论是Z. Haas和M. A. Santoro提出的,当时他们是在一根多模光纤的两端都纤芯对纤芯串联式直接焊接一根单模光纤,目的是为了提高多模光纤的带宽,光波在这根焊接的光纤中传输时,将单模光纤看成一个光学小孔。由于纤芯的直径不同,这个模式滤波器在光纤连接处能够产生高的损耗。后来研究人员看到这个MF功能可以用传统的光纤拉锥技术实现,也就是将一根光纤的纤芯尺寸由大变小,光纤的拉锥部分就引入了MF。在光纤拉锥过程中光纤的芯径与包层一样按同样比例收缩变小,光纤拉锥到什么程度是由拉锥区仅仅支持单模传输而定的,这样光纤的拉锥部分也可看成一个光学小孔,这个小孔大小正好让单模传输,而已经存在的高阶模式不能通过小孔,最后光纤激光腔中就只有单模振荡输出。


 
图6. 拉锥前后光纤激光器的输出功率。

上海光机所使用一根掺Yb大模场面积的高掺杂双包层光纤(内包层D形 650/600祄,NA 0.48, 纤芯 43祄,NA0.08,纤芯的V值约为9.9,长度为12m)进行拉制。在离光纤激光器输出端约5mm处拉制一锥形区,锥形区长度为20mm,锥形区束腰处D向内包层尺寸为136/125.6,纤芯的直径约为9祄。在拉锥前后,分别测量了光纤激光器的输出光束质量和输出功率(见图5、图6)。与拉锥前相比,虽然拉锥后最大输出功率减小了约30.6%,但其输出光束亮度增大为原来的5.28倍。

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