激光二極管直接后向泵浦的高光束質量萬瓦光纖激光器*

文榆鈞 王鵬 奚小明 張漢偉 黃良金 楊歡 閆志平 楊保來 史塵 潘志勇王小林? 王澤鋒? 許曉軍

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) (脈沖功率激光技術國家重點實驗室,長沙 410073)

高功率高光束質量光纖激光器在工業(yè)生產中得到了廣泛應用,但其受到光纖中非線性效應等現(xiàn)象的制約,進一步功率提升嚴重受阻.本文基于大模場低數(shù)值孔徑增益光纖搭建了激光二極管直接泵浦的全光纖激光放大器.通過改變增益光纖的彎曲直徑,有效地提升了動態(tài)模式不穩(wěn)定閾值,實現(xiàn)了最高功率10.53 kW,光光轉換效率74.04%,光束質量因子 M2 ～2.88 的激光輸出.研究表明,在少模光纖激光放大器中,提升輸出功率與改善光束質量的方法相互制約.不考慮光束質量時激光器可以較為簡單的獲得萬瓦乃至更高功率輸出;但是在提升功率的同時保持光束質量不退化是一件充滿挑戰(zhàn)且難度極大的工作.

1 引言

光纖激光器具有光束質量好、轉換效率高、結構緊湊、熱管理方便以及可柔性操作等優(yōu)點,近年來被廣泛用于工業(yè)加工、醫(yī)療衛(wèi)生以及基礎研究等各個領域[1?4].

近年來,隨著高亮度泵浦源、高功率光纖器件以及光纖拉制工藝等相關技術的進步,光纖激光器的輸出功率得到了大幅的提升.2004 年,連續(xù)光纖激光器實現(xiàn)1.01 kW 輸出[5],宣告單根光纖輸出的光纖激光器進入千瓦時代.2009 年,IPG 公司采用級聯(lián)泵浦的方式實現(xiàn)了萬瓦量級的單模光纖激光輸出[6],隨后在2012 年實現(xiàn)了20 kW 單模輸出[7].但是,受制于光纖中的非線性效應和模式不穩(wěn)定(transverse mode instability,TMI)等因素的影響[8],鮮有單模(M2<1.5)萬瓦量級的光纖激光器相關報道.近年來公開報道的基于激光二極管(laser diode,LD)泵浦的單模光纖激光器是最大輸出功率6 kW、光束質量因子M2～1.25 的全光纖激光放大器[9].

在高功率大模場光纖激光器中,TMI 是限制功率提升最重要的因素之一.抑制TMI 的方法種類繁多[10?13],其中最簡單實用的方法之一就是改變光纖的彎曲直徑.通常認為TMI 閾值與光纖的彎曲直徑呈負相關.然而,在多模光纖中,受到模式耦合[14]、畸變[15]和損耗等過程共同的作用,TMI閾值與光纖的彎曲直徑之間存在著正相關關系[16].

近年來,國內外陸續(xù)報道了輸出功率達到萬瓦量級的高光束質量光纖激光器.2018 年,林傲祥等[17]基于單位自研的(8+1)型泵浦增益一體化復合功能激光光纖,通過級聯(lián)泵浦的方式實現(xiàn)了最高11.23 kW 激光輸出.同年,林宏奐等[18]基于30/900 μm 光纖設計出976 nm LD 直接單端泵浦單纖激光系統(tǒng),獲得了10.6 kW 激光輸出,光束質量優(yōu)于 2βFL(βFL為光束質量因子).2019 年,陳曉龍等[19]基于自研的雙包層光纖及器件搭建了最高輸出功率10.14 kW 的全光纖激光放大器,最大功率輸出時光光效率達到87.8%.2021 年,李峰云等[20]采用級聯(lián)泵浦的方式,通過47/400 μm 光纖實現(xiàn)了20.88 kW 激光輸出,βFL為2.96.2022 年,Du 等[21]通過級聯(lián)泵浦的方式,以隨機光纖激光器作為種子利用48/400 μm 光纖搭建了萬瓦級光纖激光系統(tǒng),實現(xiàn)了最高功率10.14 kW 的激光輸出.Shi 等[22]在2022 年采用自制的50/800 μm 光纖,利用915 nm LD 直接泵浦實現(xiàn)了12.2 kW 最高功率輸出,光光效率78.4%.

盡管已實現(xiàn)了萬瓦級光纖激光輸出,但相關報道并沒有測量最高輸出時的光束質量,或者測量到的光束質量較差.要實現(xiàn)在高功率輸出的同時保持較好的光束質量仍然充滿挑戰(zhàn).此外,受限于LD輸出亮度以及熱效應等問題[23],LD 直接泵浦的高功率光纖激光器實現(xiàn)難度更大;目前報道的萬瓦級激光器大多采用級聯(lián)泵浦方式實現(xiàn).然而,從工程應用的角度出發(fā),采用級聯(lián)泵浦技術的激光器體積更大,集成更加復雜.體積較小、熱管理更方便的LD 直接泵浦激光器仍然是更加適合當前工業(yè)加工等領域的選擇.因此LD 直接泵浦的高效率高光束質量萬瓦級光纖激光器亟需更加深入的研究.

本文利用單位自研的低吸收低數(shù)值孔徑(numeric aperture,NA)增益光纖,搭建了一臺全光纖結構光纖激光放大器.放大器采用976 nm LD 后向直接泵浦的方式實現(xiàn)了最高功率10.53 kW 的激光輸出,最高功率輸出時M2～2.88,光光轉換效率74.04%.整個過程中沒有觀察到明顯的受激拉曼散射(stimulated Raman scattering,SRS)和TMI等現(xiàn)象.但是,受限于有限的泵浦功率以及光束質量的退化,輸出功率沒有繼續(xù)提升.實驗結果表明,對于萬瓦級及更高功率的光纖激光器而言,如何平衡輸出功率與光束質量仍然是需要進一步解決的問題.

2 實驗結構與結果

2.1 實驗結構

本文采用的實驗結構見圖1.搭建的光纖激光放大器采用后向泵浦結構.種子激光器(SEED)為1080 nm 波長單模光纖激光器,光束質量M2～1.2,在實驗中它可以提供約80 W 信號光輸出.摻鐿光纖(ytterbium-doped fiber,YDF)采用的是本單位自研的低NA 雙包層摻鐿光纖,其模場面積約450 μm2,NA 為0.051;它被放置于光纖水冷板上呈跑道狀盤繞.泵浦源采用14 組976 nm 非穩(wěn)波長LD,每組LD 的輸出功率約1000 W,14 組LD合計可以提供泵浦功率14100 W.14 組LD 通過后向合束器(BPSC)泵浦臂注入YDF.信號光經過放大后經過包層光濾除器(CLS)連接商用輸出端帽(QBH)輸出.

圖1 放大器實驗結構圖 (a)放大器實驗結構;(b) 高模式損耗實驗YDF 彎曲設置;(c) 低模式損耗實驗YDF 彎曲設置Fig.1.Schematic diagram of fiber laser amplifier: (a) Structure of fiber laser amplifier;(b) bending setup of high model loss experiment;(c) bending setup of low model loss experiment.

光纖的彎曲損耗對光纖激光器輸出特性有著重要的影響.根據(jù)Marcuse 提出的理論[24],光纖中的線偏模的彎曲損耗可以表示為

本實驗所用光纖傳播常數(shù)V=4.45,可以支持4 個模式在纖芯中穩(wěn)定傳輸.根據(jù)(1)式,計算得到不同彎曲直徑下的YDF 中各個模式的彎曲損耗分布如圖2 所示.從圖2 可知,當彎曲直徑增大時,光纖中各個模式的損耗迅速減小.在光纖彎曲直徑較小時,高階模在光纖中傳輸時損耗較大.高階模在YDF 中提取增益的同時泄漏進入光纖包層,并被CLS 濾除,這可以使激光器實現(xiàn)高光束質量輸出,但同時會造成光光轉換效率的下降.當彎曲直徑較大時,高階模在光纖中的傳輸損耗較小.注入YDF 的高階模傳輸過程中損耗減小,提取增益增大.這使得激光器有更高的光光轉換效率和TMI 閾值,可以實現(xiàn)更高的功率的輸出,但是高階模成分的增加會不可避免地造成輸出信號光光束質量的退化.

圖2 彎曲損耗隨彎曲直徑的分布Fig.2.Bending loss distribution versus bending diameters.

2.2 增加模式損耗實現(xiàn)高光束質量輸出實驗

通過提高模式損耗優(yōu)化光束質量是一種簡便有效的方法.通過2.1 節(jié)中的理論分析,結合實驗實際條件,將YDF 盤繞呈跑道狀彎曲,如圖1(b)所示.其中,直道部分長0.16 m,信號光及泵浦光分別從最內圈和最外圈注入YDF,最內圈及最外圈彎曲直徑分別為12 cm 和24.3 cm.

激光器輸出特性如圖3 所示.輸出功率隨泵浦功率增大逐漸升高;當泵浦功率為3391 W 時,最高輸出功率為2543 W,光光轉換效率72.64%.利用光譜儀測得最高功率輸出時光譜如圖3(b)所示,沒有觀察到殘余泵浦光以及SRS 等非線性效應.種子通過放大器系統(tǒng)時輸出的光束質量為=1.66=1.77,隨著泵浦功率增大,光束質量沒有明顯退化;在輸出功率1584 W 時光束質量=1.72=1.72.當輸出功率繼續(xù)提升時功率提升變緩,TMI 出現(xiàn).圖4 展示了不同輸出功率時光電探測器探測散射光得到的時域信號和與之對應的頻譜.在輸出功率為2467 W 時,對比上一個數(shù)據(jù)點(2339 W),時域信號對應頻譜在2 kHz 以下出現(xiàn)特征峰,這是TMI 出現(xiàn)的實驗現(xiàn)象表征.當輸出功率達到2543 W 時,可以在時域信號對應頻譜中看到出現(xiàn)了明顯特征峰并發(fā)生展寬,特征峰主要分布于3 kHz 以下.此時通過光束質量測試系統(tǒng)測得對應的光束質量因子=2.05=1.91 ;光束質量較TMI 發(fā)生前有明顯退化.綜合上述實驗現(xiàn)象可知,當信號光以最小12 cm 彎曲直徑進入放大級時,在輸出功率2467 W 時出現(xiàn)TMI 現(xiàn)象,造成功率提升受限以及光束質量惡化.在增大模式損耗保持光束質量的條件下,由于TMI 的出現(xiàn),激光器的功率提升能力受到限制.

圖3 小彎曲直徑時光纖激光放大器輸出特性 (a)輸出功率與光光轉換效率隨泵浦功率的變化以及最高輸出時光斑形態(tài)(插圖);(b) 2543 W 時輸出光譜Fig.3.Output characteristics of fiber laser amplifier at small bending diameter: (a) Output power and optical-to-optical efficiency versus pump power;the inset is beam profile at the highest output;(b) output spectrum at 2543 W.

圖4 不同功率下時域信號與對應頻譜Fig.4.Time domain signal and corresponding spectrum under different output.

2.3 減小高階模損耗提高輸出功率實驗

在增益光纖中,部分高階?？梢苑€(wěn)定的傳輸,減小高階模模式損耗,可以讓更多的高階模從纖芯中輸出而不是泄漏進入包層被濾除.基于此,在接受光束質量退化的前提下,可以獲得更高的輸出功率.此外,根據(jù)之前的工作,在少模光纖中彎曲直徑越大,TMI 閾值越高,增大彎曲直徑有利于抑制TMI 的發(fā)生獲得更高功率輸出[16].因此改變了YDF 的彎曲直徑,YDF 彎曲設置如圖1(c)所示,使信號光從最外圈注入YDF,彎曲直徑28 cm,泵浦光從最內圈注入YDF,彎曲直徑20 cm.

激光器輸出特性如圖5 所示,隨著泵浦光功率增大,輸出功率呈近似線性增長,在泵浦功率為14100 W 時達到最大輸出功率10530 W,光光轉換效率74.04%.當泵浦功率超過萬瓦時,光光轉換效率下降,功率提升變緩.通過光譜儀測得最高輸出功率時的輸出光譜如圖5(b)所示,從圖5(b)可以看到,沒有出現(xiàn)殘余泵浦光和明顯的拉曼特征峰,但是輸出功率較高使得光纖中非線性效應較強,造成光譜展寬.最高輸出功率時測得的時域信號與頻譜如圖5(c)所示,在頻譜中沒有出現(xiàn)TMI特征峰,時域也沒有觀察到明顯的波動.在實驗過程中,光束質量隨輸出功率的提高逐漸退化,在最大輸出功率時光束質量因子=2.83=2.93 .受限于泵浦功率,無法繼續(xù)提升輸出功率,但是在不追求光束質量的前提下,采用信號光以28 cm彎曲直徑進入YDF,20 cm 彎曲直徑輸出的后向泵浦結構仍然還有功率提升的空間.

圖5 大彎曲直徑時光纖激光放大器輸出特性 (a) 輸出功率與光光轉換效率隨泵浦功率的變化;(b) 10530 W 時輸出光譜;(c) 10530 W 時域信號與對應頻譜;(d) 10530 W 時的光束質量(D4σ 表示光束強度輪廓橫向能量分布的四倍標準差)Fig.5.Output characteristics of fiber laser amplifier at big bending diameter: (a) Output power and optical-to-optical efficiency versus pump power;(b) output spectrum at 10530 W;(c) time domain signal and corresponding spectrum at 10530 W;(d) beam quality at 10530 W.

3 輸出功率與光束質量的關系

上文展示了兩個除彎曲直徑外光路結構完全相同的實驗,然而實驗結果卻完全不同.當信號光從彎曲直徑12 cm 一端進入放大級后從彎曲直徑24.3 cm 的另一端輸出時,激光器保持了相對較好的光束質量,但是在輸出功率2467 W 時出現(xiàn)了TMI 現(xiàn)象.受制于TMI,輸出功率無法繼續(xù)有效提升.當信號光從彎曲直徑28 cm 一端進入放大級,從彎曲直徑20 cm 的另一端輸出時,激光器實現(xiàn)了萬瓦激光輸出并且還有繼續(xù)提升輸出功率的能力,但是光束質量較差.

SRS 和TMI 是當前限制高功率光纖激光器功率繼續(xù)提升的兩大主要限制因素.在本文實驗中,由于采用了大模場光纖,在實驗中沒有觀察到明顯的SRS 現(xiàn)象.因此,抑制TMI 是實驗中獲得高功率輸出的核心問題.通常,實驗中抑制TMI 直接有效的方法有改變泵浦波長[12]、改變光纖彎曲直徑[13]以及改變泵浦方式[25]等;在這些方法中改變彎曲直徑毫無疑問是最簡單最便捷的手段.

在前期關于近單模光纖中TMI 的研究中,一般認為減小彎曲半徑可以增大高階模在傳輸過程中的損耗,進而提升信號光中基模所占的比例并抑制TMI 的發(fā)生.因此,彎曲直徑越小TMI 閾值越高.然而,在可以支持多個模式傳輸?shù)拇竽龉饫w激光器中,這個趨勢是相反的,即彎曲直徑越大TMI閾值越高[16].當光纖中穩(wěn)定傳輸?shù)哪Ｊ皆龆嗪?光纖彎曲對TMI 閾值的影響不再局限于模式損耗;彎曲引起的模場交疊[14]、畸變[15]以及模式損耗都是對TMI 閾值產生影響的重要因素.當彎曲直徑變大,高階模損耗減小,纖芯中穩(wěn)定傳輸?shù)母唠A模功率增大,模場畸變減弱,同時各個模式模場交疊減弱,模式耦合發(fā)生的難度增加;這些因素共同造成了TMI 閾值的提升以及光束質量的退化.

在高模式損耗實驗時,信號光進入放大級時彎曲直徑為12 cm,當信號光被放大后,高階模抽取增益后泄漏進入包層并被CLS 濾除,造成效率下降.同時,由于光纖支持多個模式傳播,彎曲直徑小使纖芯中的模式堆疊,進而促進模式耦合[22]更容易誘發(fā)TMI.因此,在輸出功率2467 W 時出現(xiàn)TMI,但是得益于較高的彎曲損耗,激光器保持了高光束質量.當彎曲直徑增大,信號光進入放大級時彎曲損耗較小,可以在纖芯中穩(wěn)定傳輸?shù)母唠A模與基模一起被放大,得益于更小的彎曲損耗,大量高階模成分在信號光中輸出而非泄漏進入包層,這使得輸出功率得到提升,但同時也不可避免地造成了光束質量的下降.在彎曲直徑較大時模式之間在纖芯的交疊更少,發(fā)生模式耦合觸發(fā)TMI 的難度更大.這也有效提高了激光器TMI 閾值.因此直到輸出超過萬瓦也沒有觀察到TMI 的發(fā)生,但是與之對應的是輸出光束質量退化,最高輸出功率時光束質量因子M2～2.88 .

綜上所述,在少模光纖中追求更高功率輸出和更優(yōu)光束質量的需求存在沖突.追求高功率輸出需要增大彎曲直徑提升TMI 閾值,但是會造成高階模成分增多,光束質量下降.優(yōu)化光束質量需要減小彎曲直徑增大高階模損耗,但會造成TMI 閾值降低,光光轉換效率下降導致功率提升困難.在不考慮光束質量的條件下,以現(xiàn)有的光纖制造工藝、高功率光纖器件性能以及泵浦源亮度等條件下,實現(xiàn)萬瓦甚至更高功率的輸出不是一件難事.但是想要在追求高功率的同時保持良好的光束質量還十分困難.如何在更高功率下有效地控制光束質量并同時抑制SRS 和TMI 等現(xiàn)象的發(fā)生仍需更加深入細致的研究.

4 結論

本文基于單位自研的低吸收低NA 雙包層摻鐿光纖搭建了全光纖結構光纖激光放大器,通過改變光纖彎曲直徑實現(xiàn)了萬瓦輸出.當采用最小彎曲直徑12 cm 盤繞光纖時,激光器輸出光束質量保持在M2～1.72,但在2467 W 時出現(xiàn)TMI 并伴隨光束質量快速退化,限制了功率進一步提升.通過增大光纖彎曲直徑,激光器實現(xiàn)最高10.53 kW 輸出,但是光束質量較差,光束質量因子M2～2.88 .由于低NA 光纖對彎曲的響應十分敏感,增大彎曲直徑可以降低高階模傳輸損耗,使更多的高階模留在纖芯中輸出,增大了輸出功率的同時造成光束質量退化.此外,增大彎曲直徑可以減少彎曲導致的模場交疊,增加了觸發(fā)TMI 發(fā)生的難度,提高了激光器的TMI 閾值.最后,本文分析了少模光纖激光器中輸出功率與光束質量的制約關系.在不追求光束質量的前提下,現(xiàn)有的光纖工業(yè)水平可以較容易實現(xiàn)單纖萬瓦激光輸出.但是在實現(xiàn)萬瓦輸出的同時保持較好的光束質量仍然是一件充滿挑戰(zhàn)的工作.下一步,通過適當減小光纖彎曲直徑,并結合改變泵浦波長等抑制TMI 的方法,將嘗試在高功率輸出的條件下進一步提高光束質量.本文的研究結果可以為萬瓦高能激光系統(tǒng)的設計提供一定的參考價值.