單諧振腔光纖激光器輸出特性優化實驗研究

張培培,張 鵬,梁小紅

(中國電子科技集團公司第四十六研究所,天津 300220)

1 引 言

光纖激光器以其轉換效率高、光束質量好、系統結構簡單緊湊、運作壽命長、性能穩定可靠等諸多優勢被廣泛應用在工業加工、軍事、醫療、通信等領域。近幾年,隨著雙包層光纖制備技術、包層泵浦技術以及關鍵光纖元器件的研究工作取得突破性進展,光纖激光器的輸出功率水平不斷得到提高。國外,德國耶魯大學、美國JDSU公司、英國的SPI公司及日本的Fujikura公司等相繼實現了千瓦以上的功率輸出[1-3],基于同帶泵浦技術和分布式側面耦合技術,美國IPG公司分別在2009年和2012年實現了單纖單模9.6 kW和20 kW的光纖激光輸出[4-5],這也是目前光纖激光器的最高水平。國內,國防科技大學、華中科技大學、清華大學、天津大學、上海光學精密機械與物理研究所、西安光纖精密機械研究所等研究單位以及武漢銳科、深圳創鑫、山東海富等激光器廠商都在高功率光纖激光器的研究領域取得了突破性進展,多家單位已經成功實現千瓦級以上的功率輸出[6-12]。

眾所周知,輸出功率是描述激光器輸出特性的一個重要參數,激光器的輸出功率大小及其穩定性直接決定了它的性能和用途。因此,對激光器輸出功率的影響因素進行研究具有重要意義。在激光器的實際搭建過程中,增益光纖的長度和彎曲半徑的選擇將直接影響諧振腔的效率,其中彎曲半徑的選擇同時還會影響激光器的模式選擇和控制,進而影響光束質量的優劣,而激光器制冷溫度的設定既會影響激光器的效率,同時也會對激光器整機的穩定性造成重要的影響。

本文基于單諧振腔結構,對結構緊湊、功率穩定的全光纖型連續光纖激光器進行了研究。比較分析了增益光纖長度、盤繞半徑、制冷溫度等不同條件對激光器輸出功率和激光效率的影響,利用最優化的參數制作了光纖激光器整機,實現了中心波長1080.0 nm,光束質量M21.2,功率1135 W的連續激光輸出,光-光轉換效率84.2 %,斜率效率87.7 %。并且該激光器在72小時內的功率不穩定性僅為1.38 %。

2 實驗裝置

單諧振腔型高功率光纖激光器結構圖如圖1所示。采用18只凱普林帶尾纖輸出的半導體激光器(LD)作為泵浦源,LD最大輸出功率為70 W,中心波長為976 nm,泵浦光經(18+1)×1合束器,以前向泵浦的方式耦合進激光諧振腔,合束器由朗光公司提供,單臂承受功率120 W,最大泵浦功率可達2160 W。采用中國電子科技集團第四十六所自行研制公司的20/400 μm摻鐿雙包層光纖(YDF)作為增益介質,該光纖在976 nm處的吸收系數為1.32 dB/m。選用ITF的雙包層光纖光柵構成激光諧振腔的前后腔鏡,光柵的尾纖為20/400 μm的無源雙包層光纖(GDF),中心波長1080 nm,其中高反光柵的反射率>99 %,低反光柵的反射率為10 %。最后,采用自行研制的帶QBH端帽結構的20/400 um傳能光纖進行激光輸出,并在輸出端前通過包層功率剝離器(Cladding Power Stripper,CPS)對光纖包層中的殘余泵浦光進行剝除。

圖1 單諧振腔光纖激光器原理圖

3 實驗結果及分析

圖2給出了在盤繞半徑為6 cm,制冷溫度為25 ℃條件下,增益光纖長度分別為12 m、16 m、20 m時,輸出激光功率隨泵浦功率的變化曲線。從圖中可以看出,增益光纖長度為16 m時,激光器的光-光轉換效率最高；增益光纖為12 m時,激光功率開始隨著泵浦功率增加而增大,但最后因為增益光纖過短,泵浦光功率未被完全吸收而有剩余,因而導致激光轉換效率下降,泄露點溫度升高；而增益光纖為20 m時,光纖長度過度增加也不會帶來激光功率的提升反而使激光輸出效率降低,這主要是因為此時光纖長度長于最佳長度,過長的增益光纖會吸收掉部分信號激光因而造成輸出功率和效率的降低。因此需要合理選擇增益光纖的長度來獲得最大的功率輸出。

圖2 不同增益光纖長度下激光輸出功率情況對比圖

在增益光纖長度為16 m,制冷溫度為25 ℃時,不同盤繞半徑條件下輸出激光功率隨泵浦功率的變化曲線如圖3所示。從圖中可以看出,在同一盤繞半徑下,輸出激光功率均隨泵浦功率增加而迅速增大,但泵浦功率相同時,增益光纖盤繞半徑越小,光纖吸收效率越高,因此導致輸出激光功率越高。但是,增益光纖的盤繞半徑不能一味地減小,若盤繞半徑過小,會導致光纖的彎曲損耗增加,進而導致激光器的效率下降。

圖3 不同盤繞半徑下激光輸出功率情況對比圖

圖4為鐿纖長度16 m,盤繞半徑6 cm時,不同制冷溫度條件下輸出激光功率隨泵浦功率的變化曲線。由圖中可以看出,20 ℃制冷條件下激光器的光-光轉換效率最低,30 ℃時激光器的光-光轉換效率在開始階段比25 ℃時高,但最后卻低于25 ℃時的光-光轉換效率,這是因為30 ℃制冷條件下,泵浦LD的波長隨著電流增加最先達到最佳吸收波長,但隨著電流繼續增加,LD波長繼續漂移,偏離了最佳吸收波長,而25 ℃制冷條件下,LD的最佳吸收波長正好出現在最大電流時,因此導致25 ℃制冷條件時最高電流下的光-光轉換效率要比30 ℃制冷條件時高。因此,合理選擇激光器的制冷溫度可以使得激光器的效率和穩定性得到進一步提升。

圖4 不同制冷溫度下激光輸出功率情況對比圖

選用最優化的實驗參數,即鐿纖長度16 m,盤繞半徑6 cm,制冷溫度25 ℃,制作了一臺千瓦級激光器,激光器輸出功率隨泵浦功率的變化曲線如圖5所示。從圖中可以看出,隨著泵浦功率的逐漸增大,激光功率幾乎呈線性增長,并且最后也未出現飽和趨勢,可以預測,若繼續增大泵浦功率,激光輸出功率還會進一步提高。最終在泵浦功率為1348.3 W時,獲得的激光輸出功率為1135 W,激光器的光-光轉換效率為84.2 %,斜率效率為87.7 %。輸出功率為1135 W時測得的激光器光束質量M2為1.2,激光光斑如圖5中插圖所示,該激光器實現了準單模輸出。激光器最高輸出功率時獲得的激光光譜圖如圖6所示,從圖中可以看出該激光器中心波長為1080.0 nm,976 nm波長處無多余泵浦光殘留,說明泵光被完全吸收。并且在1130 nm波長附近也未出現新的峰值,說明激光器并未產生受激拉曼散射現象。

圖5 激光輸出功率隨泵浦功率變化曲線圖

圖6 激光光譜圖

考慮到增益光纖涂覆層長時間穩定工作的溫度為80 ℃,實驗采用了良好的制冷方法及散熱處理方法,監測了不同激光輸出功率情況下激光器系統中最高溫度點(增益光纖YDF與高反光柵HR的熔接點)的溫度特性,測試結果如圖7所示。結果表明:在最高輸出功率為1135 W 時,熔點的溫度為37.5 ℃,表明光纖熔點溫度在穩定工作范圍內,通過增加抽運功率有望進一步提高激光器輸出功率。

圖7 激光器光纖熔點溫度變化曲線

為進一步驗證激光器的穩定性,監測了整機輸出功率長時間下的穩定情況。經過72 h滿功率連續激光輸出,功率輸出穩定性如圖8所示,根據圖8中數據,我們得到該激光器的功率不穩定性為1.38 %。實驗結果證明該激光器工藝成熟,性能穩定可靠,可以滿足工業化應用要求。

圖8 激光器功率穩定性測試數據

4 結 論

基于單諧振腔結構,研究了增益光纖長度、盤繞半徑、制冷溫度等條件對激光輸出功率的影響。結果表明,選用最優的參數,在同等水平的泵浦功率下,激光器可獲得更高的輸出功率及效率。最終在鐿纖長度16 m,盤繞半徑6 cm,制冷溫度25 ℃條件下,搭建的光纖激光器獲得了1135 W的功率輸出,光束質量M2為1.2,中心波長1080.0 nm,光-光轉換效率84.2 %,斜率效率87.7 %。該激光器光路溫度安全可控,經過72 h滿功率連續激光輸出,功率不穩定性僅為1.38 %。使用本文實驗裝置搭建的激光器整機結構更加緊湊,維護更加簡單,這極大的提高了其在激光切割、焊接、精密打孔等激光加工領域的實用性。