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深度解讀

什么是高功率窄線寬光纖激光器?

激光制造網(wǎng) 來源:激光行業(yè)觀察2022-06-10 我要評(píng)論(0 )   

光纖激光器具有效率高、體積小、光束質(zhì)量好、工作穩(wěn)定可靠和環(huán)境適應(yīng)性強(qiáng)等突出優(yōu)點(diǎn), 在工業(yè)加工、醫(yī)療、國防等領(lǐng)域具有廣闊的應(yīng)用前景,是激光研究的重要方向之一。隨...

光纖激光器具有效率高、體積小、光束質(zhì)量好、工作穩(wěn)定可靠和環(huán)境適應(yīng)性強(qiáng)等突出優(yōu)點(diǎn), 在工業(yè)加工、醫(yī)療、國防等領(lǐng)域具有廣闊的應(yīng)用前景,是激光研究的重要方向之一。隨著雙包層大模場光纖的產(chǎn)生、半導(dǎo)體泵浦性能的提升和光纖集成技術(shù)的快速發(fā)展,光纖激光器的輸出功率得到了迅速提升。目前,美國 IPG 光纖激光器單纖輸出功率最高可達(dá)20kW,而國內(nèi)國防科技大學(xué)、清華大學(xué)、中國工程物理研究院也相繼研制出10kW 級(jí)的光纖激光器。但是單纖輸出功率的進(jìn)一步提升受到非線性效應(yīng)、熱效應(yīng)和光纖損傷等方面影響,并且其輸出功率存在理論上的閾值,因此光纖激光單纖輸出功率很難進(jìn)一步實(shí)現(xiàn)量級(jí)上的提升。目前,光纖激光器輸出功率進(jìn)一步提升的有效方案是光束合成,主要包括相干合成和光譜合成。而光束合成對(duì)激光子束提出了要求,一般要求合成激光子束具有窄線寬和高功率高光束質(zhì)量特性。這種高功率窄線寬激光器在引力探測、非線性頻率轉(zhuǎn)換等基礎(chǔ)科研和國防工業(yè)領(lǐng)域中也有著極其重要的應(yīng)用前景。


一 高功率窄線寬光纖激光器的研究現(xiàn)狀


根據(jù)激光器結(jié)構(gòu)的不同,本文從自由空間結(jié)構(gòu)光纖激光器和全光纖結(jié)構(gòu)光纖激光器兩個(gè)方面介紹常用波段高功率窄線寬光纖激光器的研究現(xiàn)狀,同時(shí)介紹短波長窄線寬光纖激光器研究現(xiàn)狀。

1.1自由空間結(jié)構(gòu)光纖激光器

自由空間結(jié)構(gòu)光纖激光器對(duì)激光器器件要求低,可兼容多種光纖結(jié)構(gòu),提高光纖激光器的輸出能力。對(duì)于窄線寬光纖激光器,目前主要的技術(shù)路線是對(duì)單頻激光器進(jìn)行相位調(diào)制展寬光譜來抑制光纖中的非線性效應(yīng),該種子源在光纖放大級(jí)中放大,從而實(shí)現(xiàn)高功率激光輸出。

2011年,美國 Fibertek 公司的 Doruk Engin 等報(bào)道了線寬為 450 MHz,輸出功率達(dá)到 1 kW 的光纖激光器,實(shí)驗(yàn)裝置如圖1所示。采用雙通道正弦信號(hào)調(diào)制單頻種子光,將線寬展寬為 450 MHz,再經(jīng)過三級(jí)放大實(shí)現(xiàn) 1 kW 激光輸出。主放大級(jí)采用 35/500 的增益光纖以降低纖芯中的功率密度, 抑制SBS效應(yīng), 輸出激光的光束質(zhì)量為M2<1.4。

2016 年,耶拿大學(xué)在放大級(jí)中采用低數(shù)值孔徑的光纖來抑制模式不穩(wěn)定(MI)效應(yīng),實(shí)現(xiàn)了單模 3 kW 激光輸出, 光譜線寬為 0.17 nm。種子源采用單頻激光器相位調(diào)制源, 放大級(jí)采用自制的新型光纖, 數(shù)值孔徑為 0.04, 光纖纖芯直徑為 24.5 μm, 內(nèi)包層直徑為 450 μm, 有效模場面積為 360 μm2, 放大級(jí)輸出效率為 90%, 在放大過程中, 沒有發(fā)生 MI 效應(yīng)。在 3 kW 輸出功率下, 放大自發(fā)輻射(ASE)效應(yīng)抑制比為 70 dB。2017 年, 他們又繼續(xù)采用自制的低數(shù)值孔徑光纖進(jìn)行窄線寬激光器實(shí)驗(yàn), 放大級(jí)結(jié)構(gòu)如圖 2 所示。當(dāng)放大級(jí)采用低數(shù)值孔徑的 30/460 增益光纖時(shí),輸出功率達(dá)到了 2.8 kW,光譜線寬為 0.18 nm,MI 效應(yīng)抑制了輸出功率的進(jìn)一步提升。當(dāng)放大級(jí)采用23/460增益光纖時(shí), 單模激光的輸出功率達(dá)到了3.5kW, 光譜線寬為0.18nm,功率的進(jìn)一步提升主要受限于SBS效應(yīng),這是目前已報(bào)道的單模窄線寬光纖激光器的最高輸出功率。但是由于匹配新型光纖的全光纖化器件的缺乏, 該系統(tǒng)仍采用空間耦合結(jié)構(gòu)。

2016年,美國 MIT 林肯實(shí)驗(yàn)室采用金屬包層的增益光纖搭建了雙向泵浦放大器, 放大級(jí)實(shí)驗(yàn)裝置如圖3所示。金屬包層光纖能改變光纖中的熱負(fù)載, 增加高階模式的彎曲損耗, 從而抑制MI效應(yīng)。種子光采用調(diào)制頻率為 12.5 GHz 的偽隨機(jī)碼( PRBS) 信號(hào)調(diào)制單頻激光器,經(jīng)放大級(jí)放大后激光輸出功率為 3.1 kW,光譜線寬為12 GHz,光光效率為 90%,激光光束質(zhì)量接近衍射極限

。該系統(tǒng)也采用空間耦合方式, 集成度較低。

1.2全光纖結(jié)構(gòu)光纖激光器

相比于自由空間結(jié)構(gòu)光纖激光器,全光纖結(jié)構(gòu)光纖激光器具有集成度高、穩(wěn)定性好、工程化應(yīng)用難度低等優(yōu)點(diǎn), 使得基于全光纖結(jié)構(gòu)的窄線寬光纖激光器得到迅速發(fā)展。由于相干合成一般要求激光子束光譜線寬小于10 GHz,而光譜合成要求激光器的光譜線寬不大于 100 GHz,因此,對(duì)于全光纖化的窄線寬光纖激光器,本文從兩種線寬要求來分別介紹目前的研究進(jìn)展。

(1)線寬<10 GHz 光纖激光器

2012   年,國防科技大學(xué)采用白噪聲信號(hào)對(duì)單頻激光器進(jìn)行相位調(diào)制,使其光譜展寬約為 0.3 GHz,該種子源輸出功率為 10 mW,之后該種子源經(jīng)過四級(jí)放大器進(jìn)行放大,最終獲得了功率為 666 W 的窄線寬激光輸出,光譜線寬小于 0.3 GHz。2015 年,國防科技大學(xué)采用 976 nm 的半導(dǎo)體激光器泵浦基于 25/400 保偏光纖的放大系統(tǒng),對(duì)窄線寬種子源進(jìn)行放大,實(shí)驗(yàn)裝置如圖 4 所示。種子源采用正弦信號(hào)對(duì)單頻激光器進(jìn)行相位調(diào)制,使光譜展寬為約5 GHz,經(jīng)放大后將線偏激光的輸出功率提升到了 560 W,光束質(zhì)量為 M2=1.3,光譜線寬保持約為 5 GHz,偏振消光比為~ 14 dB。理論研究結(jié)果表明 5 GHz 線寬的種子源 SBS 閾值為 1.2 kW, 輸出功率的進(jìn)一步提升主要受限于MI 效應(yīng)。

2014 年, 中國電子科技集團(tuán)有限公司第 11 研究所利用正弦調(diào)制方式將單頻激光器的光譜線寬展寬為2.9 GHz,采用三級(jí)放大結(jié)構(gòu)進(jìn)行放大,實(shí)驗(yàn)裝置如圖 5 所示。采用 976 nm 的半導(dǎo)體激光器泵浦基于 25/400 光纖的主放大系統(tǒng)進(jìn)行放大,激光器最終輸出功率達(dá)到了 780 W,光譜線寬保持為 2.9 GHz,光束質(zhì)量為1.43,在最高輸出功率下沒有發(fā)生明顯的非線性效應(yīng)和 MI 效應(yīng),功率的進(jìn)一步提升主要受限于泵浦功率。

2014 年,美國空軍實(shí)驗(yàn)室的 Iyad Dajani 采用 25/400 光纖作為主放光纖,基于主振蕩功率放大(MOPA)結(jié)構(gòu),搭建了四級(jí)放大的窄線寬光纖激光器,實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)如圖 6 所示。該激光器使用調(diào)制頻率為 2 GHz 的 PRBS 信號(hào)作為相位調(diào)制源,通過優(yōu)化實(shí)驗(yàn)參數(shù)來抑制 SBS 效應(yīng),最終獲得了 1 kW 窄線寬激光輸出,光束質(zhì)量為 M2=1.1,光譜線寬為 2 GHz。另外,使用調(diào)制頻率為 3 GHz 的 PRBS 信號(hào)作為相位調(diào)制源,在光譜線寬為 3 GHz 時(shí)實(shí)現(xiàn)了 1.17 kW近衍射極限輸出,功率的進(jìn)一步提升主要受限于 SBS 效應(yīng)。

2016 年,美國空軍實(shí)驗(yàn)室的 Nader A. Naderi 等進(jìn)一步采用雙波長種子注入和相位調(diào)制的方式實(shí)現(xiàn)了 1 kW 激光輸出,線寬為 2.3 GHz,實(shí)驗(yàn)裝置如圖 7 所示。采用寬帶 1038 nm 和窄帶 1064 nm 的種子源同時(shí)注入,主放大級(jí)采用 25/400 增益光纖進(jìn)行放大。種子源利用 PRBS 信號(hào)進(jìn)行相位調(diào)制,通過雙波長激光器的增益競爭效應(yīng)和相位調(diào)制展寬光譜來同時(shí)抑制 SBS 效應(yīng)。在實(shí)驗(yàn)中,通過優(yōu)化兩種波長種子源的功率配比和相位調(diào)制參數(shù),最終在 1064 nm 波段實(shí)現(xiàn)了 1 kW 激光輸出,輸出激光光束的質(zhì)量因子 M2 介于 1.1~1.2 之間,光譜線寬為 2.3 GHz。

韓國先進(jìn)光學(xué)研究中心使用 20/400 保偏光纖搭建了全保偏光纖激光系統(tǒng),實(shí)驗(yàn)裝置如圖 8 所示。該系統(tǒng)采用調(diào)制頻率為 6.6 GHz 的 PRBS 信號(hào)調(diào)制單頻激光器,經(jīng)放大后輸出功率達(dá)到 818 W,輸出效率為 85.2%,激光光譜線寬<7 GHz,偏振消光比為 13 dB,功率的進(jìn)一步提升主要受限于 SBS 效應(yīng)。另外他們還理論預(yù)測了在10GHz 線寬下可實(shí)現(xiàn) 2.5 kW 激光輸出。

2020 年, 中國科學(xué)院上海光學(xué)精密機(jī)械研究所采用 PRBS 產(chǎn)生器產(chǎn)生調(diào)制頻率為 6.5 GHz, 調(diào)制格式為 9 的PRBS 相位調(diào)制信號(hào),之后經(jīng)過 2.2 GHz 的低頻濾波器進(jìn)行濾波后分別調(diào)制 DBR 和 DFB 單頻種子源,使種子源光譜展寬為 2.2 GHz。DBR 和 DFB 種子源通過四級(jí)放大系統(tǒng)進(jìn)行放大,實(shí)驗(yàn)裝置如圖 9 所示。采用 DBR 和 DFB 種子源的激光器最終輸出功率分別達(dá)到 1.2 kW 和 1.27 kW,光譜中心波長分別為 1082 nm 和 1075 nm,光譜線寬為 2.2 GHz,光束質(zhì)量為 M2<1.2,在最高輸出功率下,產(chǎn)生較為明顯的 SBS 效應(yīng),功率的進(jìn)一步提升主要受限于 SBS 效應(yīng)。

近年來,光譜線寬小于 10 GHz 的窄線寬光纖激光器主要研究成果總結(jié)如表 1 所示。激光光譜線寬小于 10 GHz時(shí),輸出功率基本被限制在 1 kW 量級(jí),主要的限制因素為 SBS 和 MI 效應(yīng)。

(2)線寬<100 GHz 光纖激光器

對(duì)于線寬在 10~100 GHz 范圍的光纖激光器,主要的技術(shù)方案包括基于少縱模光纖振蕩器功率放大結(jié)構(gòu)和相位調(diào)制單頻激光器功率放大結(jié)構(gòu)兩種方案。兩種方案的主要區(qū)別在于采用的種子源不同,基本結(jié)構(gòu)均為 MOPA結(jié)構(gòu)。基于直接振蕩器的窄線寬光纖激光器結(jié)構(gòu)相對(duì)簡單,但是在放大過程中光譜線寬會(huì)不斷展寬,在較高輸出功率下,光譜線寬很難控制在很窄的范圍內(nèi),而相位調(diào)制多級(jí)放大的窄線寬光纖激光器在放大過程中光譜線寬幾乎不展寬,有利于光譜線寬的精確控制,但是結(jié)構(gòu)相對(duì)較為復(fù)雜。因此,對(duì)于線寬要求較低的系統(tǒng),可選擇采用基  于直接振蕩器的窄線寬光纖激光方案,對(duì)于線寬要求較為嚴(yán)格的系統(tǒng),多采用相位調(diào)制多級(jí)放大結(jié)構(gòu)。

2016 年,中國工程物理研究院激光聚變研究中心將少縱模振蕩器作為種子源,經(jīng)光纖放大器放大后輸出功率達(dá)到了 2.9 kW,光譜線寬為 0.31 nm,輸出激光為多模激光,實(shí)驗(yàn)裝置如圖 10 所示。在放大過程中,激光的光譜線寬不斷展寬,經(jīng)理論計(jì)算表明,放大器中的光譜展寬與種子源中的縱模數(shù)量成線性關(guān)系,因此可以通過控制種子源  中的縱模數(shù)量來減弱放大過程中的光譜展寬。文中實(shí)驗(yàn)對(duì)比了將兩種不同線寬的種子源注入到放大器中,放大級(jí)輸出線寬隨功率的變化情況,實(shí)驗(yàn)結(jié)果與理論分析一致。

2019年,清華大學(xué)精密儀器系采用窄線寬光纖布拉格光柵搭建了少縱模光纖振蕩器,經(jīng)過放大級(jí)放大后實(shí)現(xiàn)了 2.19 kW 激光輸出,輸出效率為 78.3%,實(shí)驗(yàn)裝置如圖 11 所示。振蕩級(jí)采用 20/400 增益光纖,高反光柵和低反光柵的線寬分別為 1 nm 和 0.03 nm, 振蕩級(jí)的光譜線寬為 36.6 pm。采用 976 nm 半導(dǎo)體激光器反向泵浦基于 25/400 增益光纖的主放大系統(tǒng)進(jìn)行功率放大,在 2190 W 輸出功率下光譜線寬展寬為 86.5 pm,光束質(zhì)量為 M2=1.46,在實(shí)驗(yàn)中沒有觀察到 SBS 和 MI 效應(yīng)產(chǎn)生。

2019年,韓國國防發(fā)展局地面技術(shù)研究所報(bào)道了 2.05 kW 窄線寬光纖激光器,實(shí)驗(yàn)裝置如圖 12 所示。與清華大學(xué)精密儀器系 2.19 kW 窄線寬光纖激光器的技術(shù)方案類似,他們采用光譜線寬為 0.08 nm 的光纖光柵產(chǎn)生窄線寬振蕩器,放大級(jí)泵浦源為波長鎖定的 976 nm 半導(dǎo)體激光器,泵浦方式為正向泵浦,增益光纖為 20/400 摻鐿光纖, 經(jīng)放大后輸出功率達(dá)到 2.05 kW,光譜線寬展寬為 0.24 nm,輸出激光的光束質(zhì)量為 M2=1.28。在最高輸出功率下,沒有發(fā)生 SBS 效應(yīng)和 MI 效應(yīng),但是隨著輸出功率的提升,光譜展寬非常明顯,在更高輸出功率下,光譜線寬將會(huì)是限制其應(yīng)用的主要因素。

2020 年,中國工程物理研究院應(yīng)用電子學(xué)研究所基于一對(duì)窄線寬保偏光柵和 10/130 保偏增益光纖構(gòu)成振蕩腔,以此作為種子源,經(jīng)過放大后實(shí)現(xiàn)了3kW 級(jí)窄線寬保偏光纖激光輸出,實(shí)驗(yàn)裝置如圖 13 所示。實(shí)驗(yàn)中,通過減短振蕩腔中的光纖長度以減小縱模數(shù)量,從而控制光譜展寬,當(dāng)輸出功率為 3.08 kW 時(shí),光譜線寬為 0.20 nm,光束質(zhì)量為 M2=1.4,偏振消光比(PER)為 94%。這是已報(bào)道的窄線寬全保偏光纖激光器的最高輸出功率,功率的進(jìn)一步提升受限于 SRS 效應(yīng)。

對(duì)于相位調(diào)制單頻激光器功率放大的方案,目前的研究更為廣泛。美國 IPG 公司于 2017 年報(bào)道了 1.5 kW 保偏窄線寬激光器和 2 kW 非保偏窄線寬激光器,輸出光譜線寬分別為 15 GHz 和 20 GHz,光束質(zhì)量因子 M2<1.1。2018 年,他們又進(jìn)一步將保偏光纖激光器的輸出功率提升至 2 kW,非保偏光纖激光器的輸出功率提升至 2.5 kW,實(shí)驗(yàn)方案如圖 14 所示,在最高輸出功率下,光譜線寬均為 30 GHz,光束質(zhì)量因子 M2<1.1。

2018 年,美國 nLight 公司將手性耦合纖芯光纖(CCC 光纖)應(yīng)用到窄線寬光纖激光系統(tǒng)中,以抑制光纖激光器中的 MI 效應(yīng),實(shí)驗(yàn)裝置如圖 15 所示,單頻激光器經(jīng)相位調(diào)制后進(jìn)行放大,最終實(shí)現(xiàn)了 20 GHz 線寬 2.4 kW 激光輸出,在 2.2 kW 輸出功率下達(dá)到 MI 閾值,進(jìn)一步功率提升受限于 MI 效應(yīng)。

國內(nèi),2015年,國防科技大學(xué)報(bào)道了線性偏振窄線寬光纖激光器,實(shí)驗(yàn)裝置如圖16所示。種子源采用正弦信號(hào)對(duì)單頻激光器進(jìn)行相位調(diào)制,通過增加正弦調(diào)制的級(jí)數(shù)可以增加光譜線寬,當(dāng)光譜線寬為 6,18.5 和 45 GHz 時(shí), 經(jīng)過三級(jí)保偏放大級(jí)放大后, 激光輸出功率分別達(dá)到477, 1040 和 1890 W, 在 1520 W 輸出功率下, 光束質(zhì)量為M 2=1.19,M 2=1.27,功率的進(jìn)一步提升受限于 MI 效應(yīng)。

2017 年,國防科技大學(xué)通過采用柱狀盤繞的方式抑制MI 效應(yīng),將窄線寬保偏光纖激光器的輸出功率提升至 2.43 kW, 實(shí)驗(yàn)裝置如圖 17 所示。在最高輸出功率下,沒有發(fā)生 SBS和 MI 效應(yīng),光譜線寬為 0.255nm,偏振消光比為18.3dB, 功率的進(jìn)一步提升主要受限于泵浦功率。

2015年,中國科學(xué)院上海光學(xué)精密機(jī)械研究所報(bào)道了1.75kW窄線寬光纖激光器,激光光束質(zhì)量為M2=1.77,光譜線寬20 GHz。2017 年,進(jìn)一步采用 ASE 種子源,通過三級(jí)放大的激光系統(tǒng),如圖 18 所示,實(shí)現(xiàn)了 2.7 kW 激光輸出,光束質(zhì)量為 M2<1.2,光譜線寬為 50 GHz,在最高輸出功率下,沒有發(fā)生 SBS 效應(yīng)和 MI 效應(yīng),進(jìn)一步功率提升受限于泵浦功率。

2018 年,中國工程物理研究院應(yīng)用電子學(xué)研究所采用白噪聲相位調(diào)制方式將單頻激光器的光譜線寬展寬為0.18 nm,之后經(jīng)過三級(jí)放大,實(shí)現(xiàn)了 3.5 kW 窄線寬光纖激光輸出,實(shí)驗(yàn)裝置如圖 19 所示。輸出功率為 3.5 kW 時(shí), 激光光譜線寬為 0.18 nm,沒有發(fā)生 SBS 效應(yīng),但是當(dāng)激光輸出功率高于 3.17 kW 時(shí),發(fā)生 MI 效應(yīng)。當(dāng)輸出功率為3.5 kW 時(shí),激光光束質(zhì)量為

,為多模激光。因此,對(duì)于該系統(tǒng),限制其輸出功率進(jìn)一步提升的主要因素是 MI 效應(yīng)。

2019 年,中國工程物理研究院應(yīng)用電子學(xué)研究所又進(jìn)一步研究了保偏窄線寬光纖激光器,實(shí)驗(yàn)裝置如圖 20 所示。種子源采用白噪聲信號(hào)相位調(diào)制方式展寬單頻激光器光譜,之后通過多級(jí)放大器進(jìn)行功率放大。實(shí)驗(yàn)中對(duì)比了不同光譜線寬下的 SBS 閾值,當(dāng)光譜線寬為 13 GHz 時(shí),實(shí)現(xiàn)了 1.5 kW 線偏振激光輸出。隨著激光輸出功率的增加,輸出激光沒有發(fā)生明顯的模式劣化現(xiàn)象,即沒有達(dá)到 MI 閾值,功率的進(jìn)一步提升受限于 SBS 效應(yīng)。當(dāng)光譜線寬為 32 GHz 時(shí),實(shí)現(xiàn)了 2.62 kW 線偏激光輸出,光束質(zhì)量為 M2<1.3,偏振消光比為 96.3%,功率的進(jìn)一步提升受限于 MI 效應(yīng)。

表 2 給出了 10~100 GHz 線寬光纖激光器的主要研究成果??偨Y(jié)來看,線寬在 100 GHz 以內(nèi)的光纖激光器目前最高輸出功率為 3.5 kW,但是其光束質(zhì)量較差,為多模激光輸出。輸出功率的進(jìn)一步提升主要受限于 SBS 效應(yīng)和 MI 效應(yīng)。

1.3 短波長窄線寬光纖激光器

對(duì)于光譜合成技術(shù),增加合成激光子束的數(shù)量是提高合成功率的重要途徑之一,拓展光纖激光器的光譜范圍   有助于增加光譜合成的激光子束數(shù)量,提升光譜合成功率。目前常用的光譜合成范圍為 1050~1072 nm,進(jìn)一步拓展窄線寬光纖激光器的波長范圍至 1030 nm 波段對(duì)光譜合成技術(shù)具有重要意義,因此,很多研究機(jī)構(gòu)對(duì)短波長(波長小于 1040 nm)窄線寬光纖激光器進(jìn)行了研究。本論文主要對(duì) 1030 nm 光纖激光器進(jìn)行研究,將光譜合成激光子束的波長范圍擴(kuò)展至 1030 nm。

不同波長光纖激光器的輸出特性主要受增益光纖吸收譜和發(fā)射譜的影響,對(duì)于短波長光纖激光器,相比于光纖激光器的傳統(tǒng)波段(1060~1080 nm),增益光纖的吸收截面較大,產(chǎn)生的短波長激光很容易在增益光纖中被重吸收產(chǎn)生更長波長的激光輸出,即產(chǎn)生 ASE,使其輸出功率受限。

2011 年,耶拿大學(xué)的 O. Schmidt 等采用窄線寬 ASE 源作為種子光進(jìn)行放大,種子源結(jié)構(gòu)如圖 21 所示。采用兩個(gè)光柵將種子線寬控制在 12 pm,種子輸出功率為 400 mW,中心波長為 1030 nm。種子源經(jīng)過兩級(jí)放大,第一級(jí)采用 40/200 的光子晶體光纖,第二級(jí)為 42/500 的光子晶體光纖,最終輸出功率為 697 W,光束質(zhì)量為 M2=1.34。

2016 年,美國空軍實(shí)驗(yàn)室的 Nader A. Naderi 等使用 PRBS 信號(hào)調(diào)制 1030 nm 的單頻激光器作為種子源,種子源光譜線寬為 3.5 GHz,之后經(jīng)放大級(jí)進(jìn)行放大,實(shí)驗(yàn)裝置如圖 22 所示。該系統(tǒng)將 1030 nm 波段的激光輸出功率提升至 1034 W,光譜線寬為 11 pm,放大級(jí)輸出效率為 80%,ASE 抑制比達(dá) 40 dB,光束質(zhì)量為 M2=1.1~1.2。實(shí)驗(yàn)中通過控制增益光纖長度來抑制 SBS 和 ASE 效應(yīng)。

2014 年,美國 Nufern 公司的 Ye Huang 等在 1028~1100 nm 的波長范圍內(nèi),實(shí)現(xiàn)了kw 級(jí)的激光輸出。實(shí)驗(yàn)中主要對(duì) 1028 nm 和 1100 nm 的激光器進(jìn)行了研究,并將結(jié)果與 1064 nm 的激光器對(duì)比,發(fā)現(xiàn)相比于傳統(tǒng)波段光纖激光器,短波長和長波長光纖激光器的 ASE 效應(yīng)都會(huì)明顯增強(qiáng)。最終經(jīng)過對(duì) ASE 效應(yīng)的抑制,在 1028 nm 波段實(shí)現(xiàn)了 1215 W 單模激光輸出,光光效率為 75%。

2016 年,美國 IPG 公司的 Roman Yagodkin 等對(duì)單頻激光器進(jìn)行相位調(diào)制作為種子源,經(jīng)放大后得到>1.5 kW 激光輸出,激光中心波長范圍為 1030~1070 nm,光譜線寬<15 GHz,不同波長下的輸出光譜圖如圖 23 所示。從光譜圖中可以看出,相對(duì)于 1064 nm 附近的激光,短波長激光光譜的 ASE 抑制比低約 15 dB。2017 年,美國 IPG 公司又對(duì) 1030 nm 的單頻激光器進(jìn)行相位調(diào)制,使光譜展寬為20 GHz,經(jīng)過三級(jí)預(yù)放大級(jí)后輸出功率達(dá)到 15~20 W,最后經(jīng)主放大級(jí)放大后得到 2.2 kW 短波長激光輸出, 是目前1030 nm 波段光纖激光器的最高輸出功率。

綜上所述,由于 ASE 效應(yīng)的影響,短波長窄線寬光纖激光器的最高輸出功率僅為 2.2 kW, 相比于典型波長 1064 nm 附近的窄線寬光纖激光器,還有很大的發(fā)展空間。


二 高功率窄線寬光纖激光器的限制因素


目前,高功率窄線寬光纖激光器的主要限制因素為 SBS 效應(yīng)和 MI 效應(yīng)。當(dāng)光纖激光器的輸出功率達(dá)到 kW 級(jí)以上時(shí),由于光纖纖芯中功率密度很高,產(chǎn)生 SBS 效應(yīng),它是限制窄線寬光纖激光輸出功率提升的重要因素。相比于 SBS 效應(yīng), MI 效應(yīng)發(fā)現(xiàn)較晚, 直到 2010 年才被德國耶拿大學(xué)的研究者發(fā)現(xiàn),之后迅速引起了各個(gè)研究機(jī)構(gòu)的廣泛關(guān)注,其主要實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象是當(dāng)光纖激光器的輸出功率提高到特定值后,光纖中穩(wěn)定傳輸?shù)幕?huì)發(fā)生模式劣化,產(chǎn)生強(qiáng)度和相位不斷變化的高階模式。MI 效應(yīng)產(chǎn)生的根源在于大模場光纖無法做到只支持基橫模運(yùn)轉(zhuǎn),而是同時(shí)還支持一個(gè)以上的高階模運(yùn)轉(zhuǎn)。種子相位噪聲或者強(qiáng)度噪聲中的高階模成分在增益光纖中傳輸時(shí),會(huì)與基模發(fā)生相互干涉作用,從而產(chǎn)生周期性的縱向和橫向的強(qiáng)度分布,  激光量子虧損加熱與信號(hào)光場強(qiáng)度的正相關(guān)導(dǎo)致光纖出現(xiàn)橫向和縱向的溫度梯度,熱光效應(yīng)形成熱致折射率光柵,其周期與模式干涉拍長相匹配,這種光柵反過來增強(qiáng)了基模和高階模之間的相互耦合,在足夠高的功率水平下導(dǎo)致 MI效應(yīng)的出現(xiàn)。MI效應(yīng)具有明顯的閾值特性,在閾值之下,激光器輸出光束質(zhì)量較好,在閾值之上,光束質(zhì)量急劇劣化,近場出現(xiàn)基模與高階模的 ms級(jí)的跳變。在窄線寬光纖激光器中,主要通過增大模場面積,減小光纖纖芯中功率密度來抑制 SBS 效應(yīng),而提高 MI 閾值的重要方式是通過減小模場面積減少光纖中傳導(dǎo)的模式數(shù)量。因此,SBS 效應(yīng)的抑制和 MI 閾值的提升相互制約,如何同時(shí)抑制兩種非線性效應(yīng),實(shí)現(xiàn)兩者的平衡是實(shí)現(xiàn)更高功率輸出的單模窄線寬光纖激光器的關(guān)鍵問題。另外,線偏振窄線寬光纖激光器也是目前的一個(gè)主要發(fā)展方向,偏振控制是實(shí)現(xiàn)線偏振光纖激光器的關(guān)鍵技術(shù)。

三 結(jié) 論

高功率窄線寬光纖激光器在光束合成等領(lǐng)域具有廣泛的應(yīng)用前景,近年來得到了快速發(fā)展。本文在回顧了高功率窄線寬光纖激光技術(shù)的研究現(xiàn)狀之后,對(duì)目前發(fā)展的主要限制因素進(jìn)行了描述和說明,即激光器中非線性效應(yīng)和模式不穩(wěn)定效應(yīng)限制了其輸出功率的提升和輸出激光光束質(zhì)量的優(yōu)化。進(jìn)一步提高光纖激光器的性能仍是未來窄線寬光纖激光器發(fā)展的主要方向,如繼續(xù)提高輸出功率,改善窄線寬光纖激光的光束質(zhì)量,拓展窄線寬光纖   激光器的波段,繼續(xù)壓窄激光的光譜線寬,線偏振窄線寬激光輸出以及進(jìn)行整機(jī)小型化、實(shí)用化、智能化的研究。

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