摘要:高功率单频光纤激光在引力波探测、非线性频率变换等领域有重要的应用需求, 其输出功率的提升面临横向模式不稳定和非线性效应等因素带来的技术挑战, 而长锥形增益光纤具有综合抑制横向模式不稳定效应和非线性效应的潜力. 为进一步提升全光纤结构单频光纤激光器的输出功率, 国防科技大学自主研制了一段长度为2.2 m的长锥形掺镱双包层光纤, 其输入端纤芯和内包层直径分别为30.3 μm和245 μm, 输出端纤芯和内包层直径为49.3 μm和404 μm. 基于该光纤, 采用前向泵浦的方式搭建了一个全光纤结构的单频主振荡功率放大系统. 其中种子激光的中心波长为1064 nm, 输出功率为30 mW. 该系统实现了中心波长为1064 nm、功率超过400 W的单频激光输出, 斜率效率为81.7%, 功率400 W时光束质量因子(M ²)为1.29. 系统输出功率的进一步提升受限于横向模式不稳定效应. 据可查询文献, 这是目前基于国产增益光纤实现的单频单模光纤激光器最高输出功率. 该结果表明, 长锥形光纤在实现单频光纤激光器高功率、高光束质量输出方面极具潜力, 通过光纤参数和实验结构的进一步优化有望实现更高功率水平的单频单模激光输出.
关键词: 单频/
高功率光纤激光器/
长锥形光纤/
横向模式不稳定效应

English Abstract

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高功率单频光纤激光器在激光雷达、相干合成、相干光通信、非线性频率变换、引力波探测等领域具有巨大的应用需求^[1-5]. 近年来, 随着高性能增益光纤及光纤器件的发展, 高功率单频光纤激光器的输出功率得到较大提升^[6-14], 但功率的进一步提升受到了受激布里渊散射(stimulated Brillouin scattering, SBS)效应^[15]和横向模式不稳定(transverse mode instability, TMI)效应^[16-18]的限制. 一般而言, SBS效应在小芯径光纤中更易发生, 产生的后向斯托克斯光会导致光纤损伤; 而TMI效应在大芯径光纤中更易发生, 会引起光束质量的突然恶化. 受限于这两个因素, 高功率单频光纤激光器的输出功率始终停留在数百瓦量级. 2014年, 美国空军实验室的Robin等^[9]通过对新型声场裁剪掺镱光子晶体光纤施加温度梯度, 基于空间结构实现了功率为811 W, M ²因子小于1.2的单频单模激光输出, 这是目前公开报道的单频光纤激光器的最高输出功率. 相比于空间结构, 全光纤结构单频激光器具有结构更加紧凑、性能更加稳定、维护更加方便等优势. 2013年, 中国科学院上海光学精密机械研究所的张磊等^[7]通过对纤芯包层比为10 μm/125 μm的单模光纤施加应力梯度和温度梯度实现了功率171 W, M ² = 1.02的单频单模激光输出. 2016年, 国防科技大学的黄龙等^[10]采用纤芯包层比为25 μm/250 μm的大模场保偏高掺杂光纤, 通过施加应力梯度的方式实现了功率414 W, M ² = 1.34的单频单模激光输出.
长锥形光纤^[19-21]为单频光纤激光器功率的进一步提升提供了新的解决思路. 相比于常规均匀直径光纤, 长锥形光纤纤芯直径随长度的增加而逐渐增加. 其小芯径端支持的模式较少, 可有效地保证激光的单模特性并能够提高TMI阈值, 而大芯径端模场面积大, 能够提高SBS阈值. 因此, 长锥形光纤有望在小芯径和大芯径之间“扬长避短”, 在一定程度上兼顾TMI和SBS的抑制. 2020年, 国防科技大学的来文昌等^[12]基于一段长度为1.3 m的长锥形大模场保偏增益光纤(其输入端纤芯包层比为36.1 μm/249.3 μm, 输出端纤芯包层比为57.8 μm/397.3 μm), 将全光纤结构单频光纤激光器的输出功率提升至550 W, 测得的M ²因子为1.47. 这是已报道的全光纤结构单频激光器的最高功率记录, 功率的进一步提升有赖于增益光纤参数的进一步优化设计.
近年来, 国产大模场掺镱光纤的制备工艺和高功率应用不断取得新突破^[22-32], 其中上海光学精密机械研究所基于自研25 μm/400 μm光纤实现了2.2 kW的窄线宽单模激光输出^[27], 国防科技大学基于自研双锥形光纤实现了4 kW的宽谱单模激光输出^[31], 中国工程物理研究院基于自研的泵浦增益一体化光纤实现了11.23 kW的宽谱高功率输出^[32]. 尽管国产光纤在宽谱和窄线宽领域的应用已经较为广泛, 但在单频激光领域的应用较少. 2007年, 中国科学院上海光学精密机械研究所的张芳沛等^[33]基于一段长度为5.3 m的39 μm/600 μm国产光纤实现了中心波长1064 nm、功率为7.3 W、斜率效率为39%的单频激光输出. 2011年, 国防科技大学的董小林等^[34]基于一段长度为5 m的30 μm/400 μm国产光纤实现了中心波长1063.8 nm、功率为122 W、斜率效率为72%的单频激光输出. 此后未见基于国产光纤实现的该波段更高功率的公开报道.
结合国产光纤和单频光纤激光器的发展现状, 基于国产增益光纤实现高功率单频光纤激光输出具有重要意义. 最近, 国防科技大学基于自主研制的长锥形掺镱双包层非保偏光纤搭建了全光纤结构的单频主振荡功率放大(master oscillator power-amplifier, MOPA)系统, 实现了输出功率超过400 W、斜率效率81.7%, M ²因子为1.29 (400 W时测得)的单频单模激光输出. 据可查询资料, 这是基于国产光纤实现的单频单模激光的最高输出功率.

自研的长锥形掺镱双包层光纤的纤芯和内包层直径的比值固定为0.12, 测量得到的小端纤芯包层比为30.3 μm/245 μm, 大端纤芯包层比为49.3 μm/404 μm. 光纤总长度为2.2 m, 其中锥区约为2 m, 两端的小芯径和大芯径均匀区分别为0.1 m. 光纤的纤芯数值孔径(NA)为0.06, 小芯径均匀区的吸收谱如图1所示.
图 1 长锥形光纤小芯径均匀区的吸收谱
Figure1. Absorption spectrum of the small-core region of the long tapered fiber.

基于该光纤的全光纤结构的单频光纤激光器系统如图2所示. 单频种子激光(seed)中心波长为1064 nm、线宽约为20 kHz、输出功率为30 mW. 种子激光经过隔离器(ISO)和两级预放大器(two-stage pre-amplifiers)后功率约为5 W, 然后通过耦合器(tapper)和合束器(combiner)注入到主放大器, 其中耦合器后向的输出臂用于监测主放大器中产生的后向回光(backward monitor), 以判断主放大器中SBS效应是否达到阈值. 主放大器采用前向泵浦的方式进行激光放大, 泵浦源为6个最大输出功率为95 W、中心波长为976 nm的激光二极管(LD). 所用(6+1)×1合束器的信号输入臂和输出臂的纤芯/内包层直径分别为15 μm/130 μm和30 μm/250 μm. 长锥形光纤的大部分区域盘绕在水冷盘上, 弯曲半径约为10—15 cm, 尾纤脱离水冷盘, 固定于精密调节架上. 为避免端面反馈对系统的不利影响, 尾纤末端切割成8°斜角. 放大后的激光经斜角输出至自由空间, 并经空间准直器准直. 此时的输出光束中含有未被光纤吸收的剩余泵浦光. 利用二色镜滤除剩余泵浦光后, 进行输出功率、光谱、时域、光束质量等参数的测量. 其中测量光束质量时需要调整光路, 加入足够的衰减器件以确保进入到光束质量测量仪中的光功率在仪器的承受范围.
图 2 基于长锥形双包层光纤搭建的单频光纤放大器的实验装置图
Figure2. Experimental setup of single frequency fiber amplifier based on tapered double clad fiber.

实验中利用光电探测器监测功率计靶面的散射光, 以判断是否有TMI效应出现. 当输出光功率至400, 418和434 W时, 系统时域结果如图3(a)、图3(c)和图3(e)所示, 频域结果如图3(b)、图3(d)和图3(f)所示. 图3(a)和图3(b)中的时频域结果表明在输出功率为400 W时, 光电探测器接收到的散射光的强度无明显波动, 表明此时系统并未出现TMI效应. 根据图3(c)—(f)结果可知, 当输出功率增加至418 W时域信号开始在ms量级的尺度上出现轻微的波动, 对应的频域曲线上开始出现明显的高频分量; 当输出功率进一步增加至434 W时, 时域信号的波动更加明显. 因此, 这些现象预示着输出功率在400 W时, TMI效应尚未出现, 当输出功率进一步增加, TMI效应出现.
图 3 不同输出功率下, 光电探测器接收光信号的时频域　(a)输出功率为400 W时的时域; (b) 输出功率为400 W时的频域; (c) 输出功率为418 W时的时域; (d) 输出功率为418 W时的频域; (e) 输出功率为434 W时的时域; (f) 输出功率为434 W时的频域
Figure3. The detected scattering light signals under different output power levels: (a) Time domain when output power reaches 400 W; (b) frequency domain when output power reaches 400 W; (c) time domain when output power reaches 418 W; (d) frequency domain when output power reaches 418 W; (e) time domain when output power reaches 434 W; (f) frequency domain when output power reaches 434 W.

测得输出功率和回光功率随泵浦光功率的变化情况如图4所示. 从图4中可以看出, 随着泵浦功率增大, 输出功率近似呈线性增长, 整个过程没有观察到功率下降现象. 当泵浦功率为0 W时, 输出激光功率为4.5 W; 当泵浦功率为502 W时, 输出激光功率为400 W, 对应的斜率效率约为81.7%. 该输出功率下对应的后向回光仅为8.4 mW, 约为前向输出功率的0.021‰. 在整个放大过程中, 回光没有出现非线性增长的迹象, 这表明SBS效应得到了良好的抑制.
图 4 输出功率、回光功率随泵浦光功率的变化
Figure4. Output power and backward power versus pump power.

注入主放大器前的种子光和经过主放大器后不同输出功率下的光谱如图5所示. 其中, 图5(a)是经过预放大器后、注入主放大器前的种子光的光谱, 光谱的信噪比约为24 dB; 图5(b)—(d)分别是输出功率为109, 255, 和400 W时的光谱. 从图5(b)—(d)可以看到, 在不同输出功率下光谱中无泵浦光成分, 说明剩余泵浦光已经被二色镜充分滤除. 同时, 光谱中无放大自发辐射(ASE)成分. 伴随着输出功率的增加, 光谱的信噪比也逐渐增加, 400 W输出功率下的信噪比约为32 dB.
图 5 种子光及经过主放大器后不同输出功率下的光谱　(a) 种子光; (b) 输出功率109 W; (c) 输出功率255 W; (d) 输出功率400 W
Figure5. Spectra of the seed light and the output laser with different power lever: (a) Seed light; (b) output power of 109 W; (c) output power of 255 W; (d) output power of 400 W.

测得不同输出功率下的M²因子变化情况, 如图6所示. 从图6中可以看到, 在不同输出功率下$ {M}_{x}^{2} $和$ {M}_{y}^{2} $的测量值均保持在1.4以下, 这也表明400 W时系统未出现TMI效应. 在输出功率为400 W时, $ {M}_{x}^{2} $和$ {M}_{y}^{2} $的测量值分别为1.254和1.325, 等效M²为1.29. 图6还给出了输出功率为400 W时束腰光斑的形态. M ²的测量值和光斑形态表明了单频光纤放大器的单模输出特性.
图 6 光束质量因子随输出功率的变化
Figure6. Beam quality factor versus output power.

实验过程中未观察到SBS效应, 功率的进一步提升主要受限于TMI效应, 下面对后续的优化设计方案进行讨论. 根据文献[11]的分析, 减小长锥形光纤的纤芯直径将有效提高TMI阈值, 本文自研长锥形光纤的纤芯直径从30.3 μm变化到49.3 μm, 后续可以尝试将长锥形光纤小端的纤芯直径减小至25或20 μm. 同时, 实验中长锥形光纤尾部由于未进行有效冷却, 过量的热积累降低了TMI的阈值, 使用合适长度的匹配被动光纤将能实现对整段掺杂光纤的有效冷却, 从而一定程度提高TMI阈值. 另外, 实验中还发现扰动长锥形光纤的尾纤会导致输出光斑形态的变化和光束质量的退化. 其可能原因是光纤的NA较小, 且尾部的光纤芯径较大, 光纤的模式耦合更严重. 此外, 目前实验系统为非保偏系统, 后续将构建保偏实验系统, 实现单偏振激光输出. 由于保偏输出和非保偏输出的实验结构较为相似, 实现单偏振输出的主要难点在于保偏长锥形光纤的制备. 综合以上分析, 下一步将优化光纤制备工艺, 研制纤芯直径较小、热分布均匀的非保偏和保偏长锥形掺镱双包层光纤以及匹配的被动光纤, 并改进实验结构, 以期基于国产光纤实现更高功率的单频激光输出.

长锥形光纤是实现单频光纤激光器高功率和高光束质量输出的有效途径. 本文基于自研的一段长度为2.2 m的长锥形掺镱双包层光纤, 搭建了单频MOPA系统, 在泵浦光功率约为502 W时, 获得功率400 W, M ²因子1.29、信噪比32 dB的单频单模激光输出. 激光系统的斜率效率为81.7%, 在输出功率为418 W时出现TMI效应. 这是目前基于国产增益光纤实现的最高功率全光纤结构单频单模光纤激光器. 进一步优化光纤参数、改进实验结构将有望基于国产光纤实现更高功率的单频单模激光输出.
感谢何加威、肖亮、喻湘荣、陈潇、范晨晨、李浩博等在实验过程中的支持和帮助.