高功率、低量子虧損同帶抽運摻鐿光纖放大器

姜曼 肖虎 周樸 王小林 劉澤金

(國防科學技術大學光電科學與工程學院,長沙 410073)

(2012年8月23日收到;2012年9月3日收到修改稿)

1 引言

隨著光纖制作的工藝水平以及高亮度半導體激光器二極管(LD)抽運技術的快速發展,單根雙包層光纖激光器的輸出功率得到了飛速的提高[1?7].然而,抽運過程中的量子數虧損和LD有限的亮度這兩個因素制約了單根光纖的最大輸出功率[6,7].采用傳統的利用LD直接抽運摻鐿光纖激光器的方式,所獲得的最大輸出功率將被限制在千瓦級水平[8].因此,為了能夠進一步提高單根光纖激光器的輸出功率,就需要從抽運源的亮度和量子效率兩個方面著手.一種比較有效的解決方案就是利用短波長摻鐿光纖激光器抽運摻鐿光纖的同帶抽運的方式[8].一方面,與LD的波長相比,抽運光的波長與輸出激光的波長更加接近,這樣就使得激光器的量子數虧損減小,熱效應降低.另一方面,抽運光的亮度比LD抽運光源的亮度要高很多,良好的光束質量有利于激光器對于抽運光的吸收,提高了光光轉換效率.目前國際上最高功率的光纖激光器即是利用多束1018 nm光纖激光對摻鐿光纖進行同帶抽運實現的[9].

由于1018 nm波段的吸收截面和發射截面的大小幾乎一樣,并且遠小于常規波段(1060—1130 nm)[10]的發射截面,這就使得它很容易出現受激自發輻射(ASE)和自激現象.因此,在國內外有關該波段光纖激光器的研究報道為數不多.在國外,IPG公司已實現300 W量級的1018 nm摻鐿光纖激光器,但未報道有關該激光器實驗的細節和數據.在國內,2011年,Li等[11]報道了7.5 W的空間結構1018 nm光纖激光器,斜率效率約為16%.同年,Liu等[12]報道了輸出功率為113 W的1018 nm光纖放大器,斜率效率為77%.在1018 nm波段同帶抽運方面,Xiao等[13]報道了一臺瓦量級同帶抽運高效率光纖放大器,斜率效率約為80%.目前還未見瓦量級以上更高功率的實驗報道.

本文報道一臺基于短波長摻鐿光纖激光器抽運摻鐿光纖的同帶抽運的高功率、低量子虧損摻鐿光纖放大器.搭建一臺高效率、全光纖結構的1018 nm激光器,并用其對摻鐿光纖進行同帶抽運,對1080 nm波段激光進行高效放大,最終獲得了18.6 W 1080 nm波段激光輸出,光-光轉換效率高達90.86%,充分體現了同帶抽運低量子虧損的優勢.

2 高功率1018 nm激光光源

實驗中采用的1018 nm激光光源的結構如圖1所示.整個系統為全光纖結構.振蕩器由高反射率光纖布拉格光柵(HR FBG)和低反射率光纖布拉格光柵(LR FBG)共同組成.抽運源為穩波長LD,輸出激光的中心波長為976 nm.激光二極管發出的抽運光經合束器,通過HR FBG 到摻鐿光纖中,再經過LR FBG實現激光輸出.

圖1 1018 nm光纖激光器結構圖

激光器的輸出光譜和功率特性曲線分別如圖2(a)和(b)所示. 在最大抽運功率為28.6 W時,得到了21 W 1018 nm光纖激光輸出,光-光轉換效率為73.4%.此時,抽運光得到了充分吸收,輸出光譜成分中沒有殘余抽運光和ASE成分.

圖2 1018 nm光纖激光器輸出特性 (a)光譜特性;(b)功率特性

3 高效率同帶抽運實驗

基于同帶抽運的高功率、低量子虧損的摻鐿光纖放大器的結構如圖3所示.1018 nm激光和1.9 W的1080 nm種子激光經一個1018 nm/1080 nm的波分復用器(WDM)注入到增益光纖中.放大器輸出光纖端面研磨成8°斜角以抑制自激振蕩.需要說明的是,WDM對1018 nm的抽運光和1080 nm的種子光都有一定的損耗.當1018 nm抽運光注入功率為21 W時,經過WDM后輸出功率為18.6 W;當種子光注入功率為1.9 W時,經過WDM后輸出功率為1.7 W.

圖3 同帶抽運放大器結構圖

圖4 同帶抽運實驗結果 (a)最大輸出功率時的光譜;(b)1080 nm激光輸出功率特性曲線

實驗中,首先開啟1080 nm種子激光,逐步增加1018 nm抽運光的功率,并實際監測輸出激光的光譜.隨著抽運功率的增加,1018 nm的激光能被摻雜光纖有效吸收,并將1080 nm信號光進行放大.當注入的1018 nm抽運光功率為18.6 W時,放大器輸出光譜如圖4(a)所示.殘余1018 nm抽運光成分比1080 nm信號光低15 dB,可以認為抽運光基本被完全吸收.1080 nm激光輸出功率隨注入的1018 nm抽運光的功率變化的曲線如圖4(b)所示.當1018 nm激光的最大注入功率為18.6 W時,獲得了18.6 W的1080 nm激光輸出,扣除1.7 W的種子光成分后.計算可得本文搭建的同帶抽運摻鐿光纖放大器轉換效率達到90.86%.

4 結論

開展了基于同帶抽運的高功率、低量子虧損的摻鐿光纖放大器實驗研究.搭建了一臺輸出功率為21 W的1018 nm短波長摻鐿光纖激光器,并利用其對雙包層摻鐿光纖進行同帶抽運,獲得18.6 W的1080 nm波段激光輸出,光-光轉換效率高達90.86%.本文的實驗結果為百瓦級以及更高功率摻鐿光纖同帶抽運奠定了基礎.

[1]Limpert J,Liem A,Zellmer H 2003 Electron.Lett.39 645

[2]Jeong Y,Sahu J K,Payne D N 2004 Opt.Express 12 6088

[3]Limpert J,Fabian R,Klingebiel S 2007 IEEE J.Sel.Top.Quantum Electron.13 537

[4]Kilowatt Laser Amplifi er Platform[EB/OL]http://www.nufern.com/kilowatt amp.php

[5]Horley R,Norman S,Zervas M N 2007 Proc.SPIE 6738 67380K

[6]Lou Q H,Zhou J,Zhang H B,Yuan Z J 2010 Chin.J.Lasers 37 2235(in Chinese)[樓祺洪,周軍,張海波,袁志軍2010中國激光37 2235]

[7]Dong X L,Xiao H,Ma Y X,Zhou P,Guo S F 2012 Acta Phys.Sin.61 064207(in Chinese)[董小林,肖虎,馬閻星,周樸,郭少鋒2012物理學報61 064207]

[8]Richardson D J,Nilsson J,Clarkson WA 2010 J.Opt.Soc.Am.B 27 63

[9]Stiles E 2009 Proceedings of the 5th International Workshop on Fiber Lasers Dresden,Germany,September 30–October 1,2009

[10]Kurkov A S 2007 Laser Phys.Lett.4 93

[11]Li Z,Zhou J,He B 2011 Chin.Opt.Lett.9 091401

[12]Liu Z J,Xiao H,Zhou P,Wang X L,Chen J B 2012 Chin.J.Laser 39 0305009(in Chinese)[劉澤金,肖虎,周樸,王小林,陳金寶2012中國激光39 0305009]

[13]Xiao H,Leng J Y,Wu W M,Wang X L,Ma Y X,Zhou P,Xu X J,Zhao G M 2011 Acta Phys.Sin.60 124207(in Chinese)[肖虎,冷進勇,吳武明,王小林,馬閻星,周樸,許曉軍,趙國民2011物理學報60 124207]