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基于无源光纤的2 kW高光束质量拉曼放大器

陈薏竹 姚天甫 肖虎 冷进勇 周朴

陈薏竹, 姚天甫, 肖虎, 冷进勇, 周朴. 基于无源光纤的2 kW高光束质量拉曼放大器[J]. 红外与激光工程.
引用本文: 陈薏竹, 姚天甫, 肖虎, 冷进勇, 周朴. 基于无源光纤的2 kW高光束质量拉曼放大器[J]. 红外与激光工程.

基于无源光纤的2 kW高光束质量拉曼放大器

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出版历程
  • 网络出版日期:  2020-04-29

基于无源光纤的2 kW高光束质量拉曼放大器

English Abstract

  • 高功率光纤激光器具有转换效率高、结构紧凑、可柔性操作等优势,在先进制造、能源勘探、科学研究等领域具有重要应用潜力。采用稀土离子掺杂光纤作为增益介质是获得高功率光纤激光的主要途径。与此同时,高功率拉曼光纤激光器利用不掺杂的无源光纤作为增益介质、基于非线性效应获得激光输出,具有无光子暗化、低量子亏损、高发射带宽、灵巧波长调控等特点,近年来得到了广泛关注。另一方面,激光对目标的作用效果由传输到目标的功率密度决定,不仅与激光输出功率有关,也取决于激光的光束质量。随着实际应用需求的不断提高,光束质量成为高能激光性能的重要评价指标,如何利用较低光束质量泵浦源获得高功率、高光束质量光纤激光也成为近年来的研究热点。在拉曼激光领域,利用渐变折射率光纤的方式成本低廉、结构相对简单,能够通过光纤中的光束净化效果同时获得光束质量和功率的提升,成为实现高功率、高光束质量光纤激光的有效途径。2004年,美国空军实验室利用多模Nd:YAG激光器泵浦一段多模渐变折射率光纤,获得近单模输出,光束质量因子M2约为1.66,展示了渐变折射率光纤获得高亮度输出的可行性。2015年,英国南安普顿大学首次使用激光二极管作为泵浦源,提高了系统的整体转换效率,在渐变折射率光纤中获得了20 W输出功率,最高功率下M2~5。2016年,俄罗斯科学院开展了基于渐变折射率光纤的拉曼振荡器研究,并逐步实现了全光纤化结构,在振荡器中利用多模激光二极管进行泵浦,同时采用光纤布拉格光栅的选模作用提高基模增益。2018年,该研究机构实现了62 W拉曼光纤激光输出,光束质量因子M2<3。2016年,以色列索雷克核研究中心报道了基于渐变折射率光纤的空间结构的拉曼振荡器,获得了80 W激光输出,随后通过系统优化,输出功率提升至154 W,光束质量因子M2~8。2018年,该研究中心搭建了全光纤结构拉曼振荡器,利用多模光纤光栅进行选模,获得光束质量的提升,最终实现135 W激光输出,M2~2.5。在以上振荡器结构中,通常采用光纤布拉格光栅来提供腔内的反馈。然而渐变折射率光纤光栅的制作难度较大,同时光纤光栅的功率承受能力可能会限制振荡器输出功率的进一步提升。与振荡器结构相比,光纤放大器的结构无需光纤光栅,激光系统稳定性得到提升,具有更大功率提升潜力。同时,输出激光特性通常取决于种子光的性能,例如波长、带宽、时序特性等,因此通过优化放大器中种子的特性更容易实现对放大器整体输出性能的调控。2018年,国防科技大学利用渐变折射率光纤搭建全光纤结构拉曼放大器,获得了530 W拉曼激光输出,M2~4.2;随后通过优化系统参数,输出功率提升至1002 W,M2~5.1。2019年,该课题组实现了2 kW渐变折射率光纤拉曼放大器,然而由于热效应、非线性效应等因素,最高光束质量因子M2仅为8.9。放大器结构成功实现了更高功率拉曼光纤激光,但种子光注入后难以保持较好光束质量,放大后光束质量仍有提升空间。

    最近,国防科技大学前沿交叉学科学院课题组利用主振荡-功率放大器方案,搭建了基于渐变折射率光纤的拉曼放大器,获得了2.034 kW输出,该功率下光束质量因子M2为2.8,为目前纯拉曼激光获得的最高功率和该功率下最高光束质量。系统结构如图1(a)所示。其中,1 130 nm波长拉曼振荡器(RFL)为放大器的种子源,输出种子光中,1 130 nm信号光功率134.5 W,1 080 nm剩余泵浦功率为18.5 W。放大器的泵浦源为1 080 nm波长的掺镱光纤激光器(YDFL),输出总功率可达3 kW。为了实现放大器光束质量的进一步提升,该课题组首次设计制作了输出光纤为渐变折射率光纤的7×1合束器(combiner)。为保持种子光注入中心臂后的光束质量,该合束器以(6+1)×1双包层光纤泵浦信号合束器为基础进行改进,输入光纤拉锥后数值孔径变大,因此采用数值孔径较大的渐变折射率光纤作为输出光纤。种子与泵浦光分别与合束器的中心臂、侧臂进行熔接,其中种子光在合束后能够最大程度保持光束质量。合束器输入端纤芯/包层直径分别为20/400 μm,与种子、泵浦激光器尾纤匹配。输出端渐变折射率光纤纤芯直径为62.5 μm,数值孔径为0.275。随后接入一段径向尺寸相同的渐变折射率光纤,光纤总长为20 m,其后熔接光纤端帽(End cap)以保证输出稳定性。

    图  1  高功率拉曼光纤放大器的系统结构及实验结果。(a) 拉曼放大器实验结构图;(b) 不同泵浦功率下放大器的输出功率曲线,包括总输出、信号光、剩余泵浦光和高阶拉曼光功率;(c) 不同信号光功率下输出信号光、注入的和剩余的泵浦光光束质量,以及最高功率下信号光光斑

    Figure 1.  Structure and output characteristics of the Raman fiber amplifier. (a) Schematic of the Raman amplifier; (b) output power properties versus launched pump power, including total output power, signal power, residual pump power and 2nd order Raman power; (c) beam quality parameter M2 of signal laser, injected and residue pump laser with various signal power, and beam spot of maximum signal laser.

    图1(b),泵浦功率为2.505 kW时,输出总功率为2.405 kW,其中1 130 nm功率为2.034 kW,转换效率为81.2%,剩余泵浦功率为341.6 W。最高功率下高阶拉曼光光谱强度比信号光低20.95 dB,其功率增长至29.6 W。图1(c)为放大器光束质量参数M2与最高功率下输出光斑形态,其中合束器后种子M2为3.37,与已报道的放大器结构相比,注入后的种子光束质量得到了有效提高;不同功率下泵浦光M2保持在~10.5。放大后,剩余泵浦光光束质量退化至~14.8,信号光M2逐渐提升至~2.8。通过首次利用渐变折射率光纤7×1合束器,种子光的注入得到了优化,实现了放大器输出光束质量的有效提升。该结构也获得了基于纯无源光纤的拉曼激光结构中的最高功率,以及该功率下拉曼激光的最高光束质量。

    致谢:感谢国家自然科学基金项目(61605246、11704409)、湖南省创新型省份建设专项(2019RS3017)、霍英东教育基金会青年教师基金(151062)等项目对文中工作的支撑;感谢于陈子伦副研究员、何加威、肖亮、刘鹏等在实验过程中的支持和帮助。

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