10 kW高效率1070 nm光纤放大器的理论与实验研究 下载: 1083次
1 引言
光纤激光器具有转换效率高、光束质量好、热管理方便、结构紧凑等优点,在民用和**领域应用广泛[1-4]。激光功率的进一步提升受到受激拉曼散射(SRS)和模式不稳定性(MI)的限制[5-10],故采用大模场光纤、优化光纤放大器参数是提升激光器效率和激光功率的有效技术途径[11-14]。2009年,美国IPG Photonics公司率先推出10 kW单模全光纤激光器产品YLS-10000-SM[15]。近年来,随着光纤制备技术的提升,国内也逐渐实现了10 kW级全光纤激光功率输出。2018年,中国工程物理研究院使用半导体激光器(LD)直接抽运30/900 μm光纤和(8+1)型侧面抽运光纤实现了万瓦级全光纤激光输出,放大级斜率效率分别为86.12%和82.5%[16-17]。2019年,他们基于同带抽运的方式,使用50/400 μm光纤又实现了9.82 kW的激光功率输出,放大级斜率效率为86.8%[18]。在使用大模场光纤实现激光功率提升的同时,激光系统效率的优化和高阶模式的抑制(以获得激光高光束质量)成为研究热点。
因此,为实现高功率、高效率、高光束质量的国产10 kW级全光纤激光输出,本文基于激光主振荡放大结构,使用自研的30/600 μm掺镱光纤作为放大级增益光纤,通过理论分析掺镱光纤弯曲半径与光纤内模式传输损耗的关系,以及放大器中激光功率增长与光纤长度的关系,优化系统设计参数,实现了输出功率为10.14 kW,中心波长为1070.36 nm,3 dB带宽为5.32 nm的全光纤激光输出。输出激光的光束质量
2 理论分析
2.1 理论模型
对于常用的阶跃折射率光纤,光纤纤芯和包层的折射率差较小,可以认为是“弱导光纤”,所以光纤中的本征模式可以通过弱导近似表示为线偏振(LP)模式。LPmn模式的弯曲损耗可以表述为[19-20]
式中:α表示弯曲损耗;Reff为等效弯曲半径;a为光纤纤芯半径;光纤归一化频率V值定义为V=
在光纤激光振荡器或是放大器中,光纤内激光、抽运等光束功率的变化可以描述为[21-22]
式中:“+”对应光束的正向传播;“-”对应光束的反向传播;rcore和rclad分别为光纤的纤芯半径及内包层半径;n0为Yb掺杂粒子浓度;σa和σe分别是Yb离子的吸收截面和发射截面;l是光束的背景损耗,包括光纤的弯曲损耗;nse是自发辐射光子数,通常取值为2;hν·Δν是光束在Δν频谱范围内的光子能量;N是光纤内的反转分布,表示为[22]
其中λ是光束的波长,h是普朗克常数, c是真空光速,τ是Yb离子上能级寿命,通常取0.8 ms,∑(·)是对所有光束的求和。方程(1) 式和(2)式的边界条件包括光束在光纤两侧的反射,对于给定光束,满足[22]
式中:
2.2 数值计算
对掺镱光纤激光器的模拟,包括对放大过程中不同掺镱光纤(YDF)的弯曲半径下模式的损耗以及放大器在双端抽运情况下激光功率的增长,即对上述方程的求解。以种子源一级放大的主振荡功率放大(MOPA)结构为例,掺镱光纤为30/600 μm,数值孔径(NA)为0.063,求解方程(1)式,计算得到不同弯曲半径时30/600 μm光纤各模式损耗如
图 1. 30/600 μm掺镱光纤模式弯曲损耗随弯曲半径的变化关系
Fig. 1. Mode bend loss dependent on the bend radius of the 30/600 μm Yb-doped fiber
联合求解方程(2)~(4)式,计算光纤放大器掺镱光纤不同长度下输出激光功率增长情况。其中,种子源注入功率为160 W,中心波长取1070 nm;放大器抽运波长取976 nm,双端抽运功率各5.7 kW,增益光纤吸收系数为1.2 dB/m@976 nm。当光纤长度取值范围选择15~20 m,计算结果如
图 2. 掺镱光纤的输出激光功率变化图。(a)放大器输出激光功率随掺镱光纤长度的变化;(b)掺镱光纤长度为19.2 m时光纤内双端抽运功率和激光功率沿光纤长度方向的变化趋势
Fig. 2. Ytterbium doped fiber output laser power. (a) Relationship between the output laser power and the Yb3+ doped fiber length; (b) variation of the dual-end pump power and the output laser power along the fiber when the Yb3+ doped fiber length is 19.2 m
通过以上计算结果分析可知,1070 nm波长的MOPA结构,可以通过优化选取放大器掺镱光纤长度和弯曲半径的方法来提高放大器的抽运光-激光转换效率,并保持最终激光以少模的形式输出,降低了30/600 μm大模场光纤的输出光束质量的劣化程度。
3 实验结果分析与讨论
10 kW全光纤MOPA激光器实验结构如图3所示,图中LD为激光二级管,HR-FBG为高反光栅,LR-FBG为低反光栅,CLS为包层光剥离器,DC-YDF为双包层掺镱光纤,MFA为模场适配器。
3.1 高光束质量种子源
种子光源为振荡器结构。振荡器采用正向抽运方式,使用的抽运光源的中心波长约为915 nm,光纤光栅(FBG)的中心波长为1070 nm,高反光栅反射率为99.5%,3 dB带宽约为3 nm,低反光栅反射率为10%,3 dB带宽约为1.2 nm,增益光纤使用自研20/400 μm掺镱光纤,吸收系数为0.4 dB/m@915 nm,数值孔径为0.062,长度为32 m,腔内光纤长度的增加可提升激光输出纵模的数量,同时选用大于1 nm的宽带光栅,有助于实现种子光源输出光谱宽度的增加,从而提升了放大过程中的拉曼效应的阈值[23]。当抽运功率为253 W时,种子源输出激光功率为178 W,3 dB光谱宽度为2.1 nm,输出激光光束质量
图 4. 种子光源输出光谱及光束质量。(a)激光光谱;(b)光束质量
Fig. 4. Spectrum and beam quality of the seed laser. (a) Spectrum; (b) beam quality
3.2 高效率放大器
种子光源经过一个20~25 μm的模场适配器进入放大器。放大器使用双端抽运结构,前后向抽运各6组光源,每组功率约为950 W,抽运光波长约为976 nm,输出尾纤为300/330 μm,通过(6+1)×1合束器耦合后注入掺镱光纤中,其中前向(6+1)×1合束器信号纤的纤芯直径为25 μm、数值孔径为0.065,反向合束器信号纤纤芯为50 μm、数值孔径为0.12,前后向合束器输出尾纤芯径均为30/600 μm,纤芯数值孔径为0.065,注入功率分别为5679 W和5680 W。放大采用增益光纤为自研30/600 μm掺镱光纤,纤芯数值孔径为0.063,吸收系数为1.2 dB/m@976 nm,系统最终经过包层光剥离器剥离包层光后,使用光纤端帽输出,系统实际使用的掺镱光纤长度为19.5 m。结合理论分析及30/600 μm实际缠绕的能力,实验对比分析了在开启正反向各一组泵浦的状态下,掺杂光纤弯曲半径分别为5,6,7.5,9,10 cm时,放大器的输出功率及输出激光光束质量。如
图 5. 不同掺杂光纤弯曲半径对应的输出激光功率及光束质量
Fig. 5. Output laser power and beam quality dependent on the bend radius of the Yb-doped fiber
系统输出功率结果如
图 7. 放大器输出激光光谱及光束质量。(a)激光光谱;(b)激光光束质量
Fig. 7. Spectra and beam quality of the output signal laser. (a) Spectra; (b) beam quality
放大器使用温度为20 ℃的循环水冷方式进行冷却。在满功率运行状态下,使用Flir T620热像仪测量放大器各主要位置的温度,最高的温度熔点为放大反向合束器输出尾纤与30/600 μm掺杂光纤的熔点,结果为35.2 ℃,如
图 8. 放大器满功率状态下主要位置的温度。(a)放大器反向合束器与掺杂光纤熔点及掺杂光纤温度;(b)放大器输出包层光剥离器温度;(c)放大器正反向合束器温度
Fig. 8. Temperature measurements of the amplifier compositions when operating at the full laser power. (a) Yb-doped fiber temperature and temperature of the splicing point between the backward combiner and the doped fiber; (b) temperature of the output cladding light stripper; (c) temperature of the forward and backward combiners
3.3 讨论
通过对以上放大器输出功率曲线、光谱及光束质量的测试分析,推断可知若进一步提高抽运激光功率,放大器系统仍然可以在保证较高光-光转换效率和信噪比的前提下实现更高激光功率的输出。同时,在实验中发现,受到系统熔接质量的影响,种子激光注入放大系统的熔接质量较差,导致经过MFA后光束质量劣化明显,进而对放大光束质量劣化的抑制产生影响,需要通过降低放大级掺镱光纤弯曲半径来增大大模场光纤内高阶模的损耗,但这一操作会对激光器的稳定性产生不良影响。因此,对于使用大模场掺镱光纤的放大器,系统搭建过程中熔接细节等的处理尤为重要。
4 结论
基于主振荡放大结构,采用本所自研的30/600 μm掺镱光纤作为放大级增益光纤,在理论计算分析的基础上通过对实验中掺镱光纤的弯曲半径及光纤长度进行优化设计,实现了高功率、高效率、高光束质量的国产10 kW级1070 nm全光纤激光输出。输出激光的光束质量
[2] Zervas M N. High power ytterbium-doped fiber lasers: fundamentals and applications[J]. International Journal of Modern Physics B, 2014, 28(12): 1442009.
[4] 周军, 王璞, 周扑. “高功率光纤激光技术”专题前言[J]. 中国激光, 2017, 44(2): 0201000.
[5] Agrawal GP. Nonlinear fiber optics[M]. New York: Academic Press, 2001.
[6] Dawson J W, Messerly M J, Beach R J, et al. Analysis of the scalability of diffraction-limited fiber lasers and amplifiers to high average power[J]. Optics Express, 2008, 16(17): 13240-13266.
[7] Smith R G. Optical power handling capacity of low loss optical fibers as determined by stimulated Raman and Brillouin scattering[J]. Applied Optics, 1972, 11(11): 2489-2494.
[8] Haarlammert N, Sattler B, Liem A, et al. Optimizing mode instability in low-NA fibers by passive strategies[J]. Optics Letters, 2015, 40(10): 2317-2320.
[10] Tao RM, Ma PF, Wang XL, et al. ( 2015-03-30)[2020-03-28]. https:∥arxiv.org/abs/1503. 08132.
[11] Zhu J J, Zhou P, Ma Y X, et al. Power scaling analysis of tandem-pumped Yb-doped fiber lasers and amplifiers[J]. Optics Express, 2011, 19(19): 18645-18654.
[12] Jauregui C, Limpert J, Tünnermann A. High-power fibre lasers[J]. Nature Photonics, 2013, 7(11): 861-867.
[13] Eidam T, Wirth C, Jauregui C, et al. Experimental observations of the threshold-like onset of mode instabilities in high power fiber amplifiers[J]. Optics Express, 2011, 19(14): 13218-13224.
[14] 周朴, 黄良金, 冷进勇, 等. 高功率双包层光纤激光器: 30周年的发展历程[J]. 中国科学技术科学, 2020, 50(2): 123-135.
Zhou P, Huang L J, Leng J Y, et al. High-power double-cladding fiber laser: 30th anniversary of the development process[J]. SCIENTIA SINICA Technologica., 2020, 50(2): 123-135.
[15] StilesE. New developments in IPG fiber laser technology[C]∥Proceedings of the 5th International Workshop on Fiber Lasers, September 30-October 1, Dresden, Germany. New York: ACM, 2009: 1- 2.
[16] 林宏奂, 唐选, 李成钰, 等. 全国产单纤激光系统获得10.6 kW激光输出[J]. 中国激光, 2018, 45(3): 0315001.
[17] 林傲祥, 湛欢, 彭昆, 等. 国产复合功能光纤实现万瓦激光输出[J]. 强激光与粒子束, 2018, 30(6): 060101.
[18] 高聪, 代江云, 李峰云, 等. 自研万瓦级同带泵浦掺镱石英玻璃光纤[J]. 中国激光, 2020, 47(3): 0315001.
[19] Marcuse D. Curvature loss formula for optical fibers[J]. Journal of the Optical Society of America, 1976, 66(3): 216-220.
[20] Schermer R T, Cole J H. Improved bend loss formula verified for optical fiber by simulation and experiment[J]. IEEE Journal of Quantum Electronics, 2007, 43(10): 899-909.
[21] Hansen K R, Alkeskjold T T, Broeng J, et al. Thermo-optical effects in high-power Ytterbium-doped fiber amplifiers[J]. Optics Express, 2011, 19(24): 23965-23980.
[22] Gong M L, Yuan Y Y, Li C, et al. Numerical modeling of transverse mode competition in strongly pumped multimode fiber lasers and amplifiers[J]. Optics Express, 2007, 15(6): 3236-3246.
[23] Wang J M, Yan D P, Xiong S S, et al. High power all-fiber amplifier with different seed power injection[J]. Optics Express, 2016, 24(13): 14463-14469.
Article Outline
陈晓龙, 何宇, 徐中巍, 郭晓晨, 叶韧, 刘恺, 杨依枫, 沈辉, 张海波, 于春雷, 何兵, 胡丽丽, 周军. 10 kW高效率1070 nm光纤放大器的理论与实验研究[J]. 中国激光, 2020, 47(10): 1006001. Chen Xiaolong, He Yu, Xu Zhongwei, Guo Xiaochen, Ye Ren, Liu Kai, Yang Yifeng, Shen Hui, Zhang Haibo, Yu Chunlei, He Bing, Hu Lili, Zhou Jun. Theoretical and Experimental Investigation of a 10-kW High-Efficiency 1070-nm Fiber Amplifier[J]. Chinese Journal of Lasers, 2020, 47(10): 1006001.