摘要 利用半导体激光器(LD)抽运大模场增益光纤实现了输出功率大于４kW 的主振荡功率放大结构全光纤激光器.实验研究了增益光纤纤芯直径和抽运波长不同情况下激光器的受激拉曼散射(SRS)和横向模式不稳定 (TMI)特性.为了抑制SRS,选择纤芯为３０μm 的大模场掺镱光纤作为增益介质;为了抑制光纤放大器中的 TMI, 利用增益光纤吸收系数较低波段对应的９１５nmLD作为抽运源,将增益光纤弯曲半径降低到１０cm 以提高高阶模的损耗.在种子功率为１００W、最高注入抽运功率为５．３kW 时获得了４．１kW 的功率输出,光束质量 M２ 为２．２,输出激光中无SRS和 TMI现象.

关键词 激光器;光纤激光器;主振荡功率放大;受激拉曼散射;横向模式不稳定

１ 引 言

      光纤激光器具有转换效率高、光束质量好、体积小、重量轻等优点,在工业加工、３D 打印、生物医疗等领域具有广泛的应用前景[１Ｇ２].随着高功率、高亮度抽运源和双包层增益光纤的发展,掺镱高功率激光器输出功率得到了迅速的提升[３Ｇ６].尤其是随着同带抽运技术的发展,高功率单纤光纤激光器输出功率突破了１０kW [７].然而,近年来发现的横向模式不稳定(TMI)现象[８Ｇ１２]严重限制了高功率光纤激光器的功率提升[１３].TMI是由增益光纤内部热效应所导致,激光器抽运功率大于一定阈值时,激光中的基模与高阶模式之间出现动态耦合,使输出激光中高阶模式成分增加,光束质量严重下降[１３];使用包层光滤除装置后,光纤激光器的输出功率还会严重下降[１３Ｇ１７].在传统 LD抽运的光纤激光系统中,由于量子亏损较高、增益光纤对抽运光的吸收系数较大,使增益光纤中的热效应较为严重,导致 TMI阈值较低.在许多情况下,TMI的阈值甚至比受激拉曼散射(SRS)的阈值低[１４,１７Ｇ１８],目前 TMI已被国际公认为是影响高功率光纤激光功率提升的一个重要限制影响因素[１３].为了抑制 TMI,研究人员提出了多种方法,一种最为有效的 TMI抑制方法是选择纤芯直径较小、支持模式数量较少的掺杂光纤作为增益介质[１４].但该方法会降低SRS阈值,同样影响激光器输出功率的提升.

      为了减轻SRS、抑制 TMI,在对 TMI影响因素已有理论分析的基础上[１８Ｇ２０],本文搭建了高功率的主振荡功率放大(MOPA)结构光纤放大器实验平台,对不同纤芯直径的增益光纤进行了实验研究,分析了不同抽运波长对SRS和 TMI的影响.结合实验研究结论,选择纤芯直径为３０μm 的大模场增益光纤抑制SRS. 实验中利用增益光纤吸收系数较低波段对应的９１５nmLD作为抽运源,同时通过弯曲主放大器增益光纤增加高阶模式损耗的方式来抑制 TMI.结果表明,在最高注入抽运功率为５．３kW 时获得了４．１kW 的功率输出,输出激光中无SRS和 TMI现象.

     MOPA结构全光纤激光器原理图如图１所示.振荡器利用３个功率为１００ W 的９１５nm 抽运源(LD),通过３×１抽运合束器(PC)对激光谐振腔进行抽运.激光谐振腔由高反射光纤光栅(HRFBG)、掺镱光纤(YDF１) 和低反射光纤光栅(OCFBG)构成.其中 HRFBG 的反射率大于９９．５％,中心波长为１０８０nm,３dB带宽约２nm;OCFBG的反射率约为８％,中心波长为１０８０nm,３dB带宽约１．２nm.YDF的纤芯与包层直径分别为２０μm和４００μm (即２０/４００光纤),纤芯与包层数值孔径分别为０．０６３、０．４６,在９１５nm 抽运波长处的吸收系数约为０．４dB/m.PC的抽运输入臂纤芯和包层直径分别为１０５μm 和１２５μm,数值孔径为０．２２;输出臂纤芯与包层直径分别为２０μm 和４００μm,纤芯与包层数值孔径分别为０．０６、０．４６.抽运功率为３００W 时振荡器输出功率大于２００W.实验中,为了抑制SRS,保证放大器的稳定性,种子激光工作在１００W 左右.

      主放大器采用(６＋１)×１的抽运/信号合束器(PSC)对抽运功率和信号进行合束.为了研究 SRS和 TMI的阈值与抽运波长的关系,选择最高功率分别为５００ W、９００ W 的９７５nm 和９１５nm 光纤耦合半导体激光器作为抽运源.由于实际上各个抽运源的功率不等,经过合束器后,９７５nm 和９１５nm 激光器的实际总抽运功率分别为３kW 和５．３kW.实验中,利用纤芯直径分别为２０、２５、３０μm 的掺镱双包层光纤(YDF２) 作为增益介质,以研究SRS和 TMI的阈值特性.为了滤除未吸收的抽运光和模式不稳定导致的包层模,利用足够长度的包层光滤除装置(CLS)滤除包层光,然后采用商用的光纤端帽(QBH)扩束后输出.实验中, 为了满足 CLS和光束扩束的需求,传能光纤总长度大于６m(其中 CLS光纤３m,QBH 尾纤３m),传能光纤纤芯直径均为３０μm.

      实验中,首先利用９１５nm 和９７５nm 抽运源对纤芯与包层直径分别为２５μm 和４００μm 的掺镱光纤 (２５/４００ 光纤)进行抽运,研究SRS和 TMI的阈值特性.利用９１５nm 抽运时,由于掺镱光纤对９１５nm 波段吸收系数较低(仅为０．５dB/m),为了保证１５dB的总吸收系数,增益光纤总长度为３０m.实验发现,输出功率为１．４５kW时出现了明显的 SRS效应,如图２(a)所示,其中第２个光谱峰的中心波长为１１３５nm,即１０８０nm 激光的拉曼光谱.由于SRS的出现,初步判断采用该结构难以实现３kW 以上的功率输出.利用９７５nm 抽运时,为了抑制 TMI,将增益光纤弯曲半径减小到１０cm 左右.在最高抽运３kW 时输出功率为２．３４kW,出现了非常明显的 TMI,如图２(b)和图２(c)所示,图２(b)为实验中利用示波器测量得到放大器输出功率的时域,图２(c)为该时域信号的功率谱.结果表明:由于 TMI的出现,基模与高阶模式之间存在动态耦合,使得输出激光出现明显的功率起伏;对应频谱的低频部分也呈现出明显的连续频率成分,说明该结构的放大器也难以具备功率进一步提升的能力.

      根据 TMI的原理,利用模场直径较小的增益光纤可以一定程度地抑制 TMI [１４].实验中,用中心波长为９７５nm 的 LD对纤芯直径为２０μm、包层直径为４００μm、长度为１８m 的掺镱光纤进行抽运,将增益光纤弯曲半径减小到１０cm 以抑制 TMI.在最大抽运功率为３kW 时,输出功率达到了２．３４kW.从输出激光时域及对应的功率谱来看,没有出现 TMI的征兆[如图３(a)和图３(b)所示];光谱也没有观察到明显的 SRS [如图３(c)所示].但是由于９７５nm 波段总抽运功率的限制,无法获得大于３kW 的有效功率输出.

     实验研究表明:利用９１５nm 抽运２５/４００增益光纤时,由于增益光纤有效模场面积较小、增益光纤较长,使得SRS阈 值 较 低;利 用 ９７５nm 抽 运 ２５/４００ 光 纤 时,TMI阈 值 较 低,功 率 进 一 步 提 升 受 限;利 用９７５nm的 LD对２０/４００光纤进行抽运,可以抑制SRS和 TMI,但是由于抽运功率的限制,暂时无法获得大于３kW 的功率输出.

     理论和实验研究都表明:对于光纤放大器中的 TMI而言,利用９１５nm 抽运可以获得较９７５nm 抽运更高的输出功率阈值[１４].为了获得大于４kW 的功率输出,最终采用９１５nm 的LD对纤芯和包层直径分别为３０μm 和４００μm、长度为２５m 的掺镱光纤进行抽运,辅助弯曲光纤滤除高阶模式的方法抑制 TMI.实验中,将增益光纤的弯曲半径减小到１０cm,在最高抽运功率为５．３kW 时,获得了４．１kW 的激光功率输出. 输出功率与抽运功率的关系曲线如图４(a)所示.由于９１５nm 附近增益光纤的吸收平坦,在抽运功率提升的过程中,放大器的效率基本维持不变,在最高功率时光光转换效率为７５．５％.图４(b)给出最高功率时测量得到的输出光谱特性,由图可知,输出光谱中没有任何SRS波段的信号;图４(c)为４．１kW 时测试得到的时域信号,可见光纤激光器输出时域稳定,没有出现 TMI导致的功率起伏现象.上述结果表明:输出功率为

４．１kW 时,没有出现SRS,TMI也得到了较好的抑制,该激光器具备功率进一步提升的潜力.

        用光束质量测量仪 BeamWave１０００测试了激光器的光束质量,测量结果如表１所示.表１中给出了光束质量测量过程中参数,其中zR 为瑞利距离,z 为光束传送距离,z０ 位光腰位置,w０ 为光腰大小.结果表明:在最高功率时,激光器光束质量约为 M２＝２．２(M２ x ＝２．０２,M２ y ＝２．３１).在最高功率时激光光斑如图５所示,该激光器光斑形态较基模光束稍差.

      为了验证激光器的功率提升能力,实验测试了不同抽运功率情况下整个激光器系统中最高温度点(增益光纤与合束器的熔接点)的温度特性,测试结果如图６所示.实验采用了良好的制冷方法,结果表明:在最高抽运功率为５．３kW 时,熔点的温度稳定在６５ ℃左右,曲线中个别温度点的数值起伏是由测量误差导致的. 考察激光器的特性,在最高输出功率时激光器中没有出现SRS和 TMI,考虑到增益光纤涂覆层长时间稳定工作的温度为８０ ℃,表明通过增加抽运功率有望一定程度地提高激光器输出功率.

４ 结 论

       目前,横向模式不稳定已经成为影响高功率光纤激光功率提升的重要因素之一.如何平衡受激拉曼散射和横向模式不稳定、获得高功率高光束质量的光纤激光输出是一个重要的研究方向.利用 MOPA 结构, 通过优化光纤参数,避免了受激拉曼散射的产生;通过选用９１５nm 抽运源、弯曲光纤选模,抑制了横向模式不稳定的发生,实现了功率为４．１kW 的全光纤激光输出.选择抽运吸收系数稍低、量子效率较高的抽运波长(比如９８０nm)对激光器进行抽运,有望提高放大器效率,获得更高功率的光纤激光输出.