1 引言

光纤激光器具有转换效率高、输出光束质量好、结构紧凑等优点,在航空航天、工业加工、生物医疗等领域得到了广泛的应用^[1-4]。随着应用领域的拓展及深入,人们对高功率光纤激光器提出了更高的要求,比如更高的功率、长时间稳定运行以及近衍射极限的光束质量。近年来,受激拉曼散射(SRS)、抽运源亮度、热透镜效应等光纤中的非线性效应一直是限制高功率光纤激光器发展的重要因素^[5-8]。2010年,Eidam等^[9]发现了横向模式不稳定效应(TMI),该效应是限制高功率单模近衍射极限光纤激光功率提升的主要原因。当激光器的功率达到TMI阈值后,输出激光的光束质量急剧退化^[10-12],同时输出功率也出现明显波动,功率稳定性下降。而由于光纤盘绕等原因,TMI产生的高阶模激光将泄漏到包层中,从而导致输出功率滞涨,甚至出现功率下降的现象^[13-16]。因此,TMI不仅限制了激光器功率的提升,还使激光器处于不安全的工作状态。

为了抑制TMI效应的产生,国内外学者在理论和实验方面都进行了广泛研究。德国耶拿大学、美国克莱姆森大学等机构的研究人员认为,增益光纤中的热效应引起光纤纵向周期性折射率调制,导致激光器中基模与高阶模的功率耦合,从而产生TMI效应 ^[17-21]。根据这一理论,人们发现可以从降低热负荷、抑制高阶模和长周期光栅等方面来提高激光器的模式不稳定阈值。具体来说,可以通过采用低吸收系数泵源^[22]、改变抽运方式^[23-24]、设计特殊光纤^[25-27]、增益饱和效应^[28-30]等方法提高TMI阈值功率。

由于SRS效应以及抽运源亮度等因素的限制,目前输出功率大于3 kW的激光器主要是基于纤芯直径为25 μm^[31]和30 μm^[32-33]的大模场双包层增益光纤。然而,纤芯直径大于25 μm的增益光纤内支持的模式较多,很难实现准单模激光输出。如果不对光纤结构进行精心设计,此类大模场增益光纤的多模输出特性将导致其TMI阈值普遍较低,很难实现高稳定、高可靠及高功率的准单模激光输出。在实际的工业生产应用中,则需要同时保证激光器的功率、光束质量和输出稳定性。目前,鲜有如何抑制TMI以获得长时间稳定可靠的激光输出的报道。由于大模场面积光纤结构设计具有特殊性与复杂性,而纤芯直径为20 μm的商用光纤输出近单模激光,其模式不稳定抑制相对容易,若进行批量生产,可以较好地保证其工艺一致性。因此,基于纤芯直径为20 μm的商用双包层光纤研制3 kW级高稳定、高可靠的激光器是较为明智的选择。但是,由于该光纤的纤芯直径较小,光纤中的高能量密度将导致非线性效应的产生。如何在抑制TMI的同时兼顾SRS的抑制^[34],也是需要考虑的问题。

基于此,本文对纤芯/内包层直径为20/400 μm的掺镱光纤放大器进行研究,通过优化激光器的结构和参数,实现准单模3 kW激光输出。采用弯曲盘绕增益光纤的方式^[33,35-36]实现TMI阈值的提升;通过优化抽运方式和抽运功率配比^[23,37-38],综合抑制TMI和SRS效应,成功实现了可长时间稳定工作的3 kW近单模激光输出,输出激光SRS抑制比约为20 dB。在长时间(10 h)高功率运行过程中,时/频域上并未监测到模式不稳定效应,为实现高功率光纤激光器以及3 kW级光纤激光器的工业设计提供可靠参考。

2 实验结构

本实验系统采用全光纤非保偏主振荡功率放大结构,放大器的结构如图1所示。种子激光为一台自主搭建的基于20/400 μm增益光纤的振荡器,输出功率在0~100 W内连续可调,输出信号光的中心波长为1080 nm,输出传能光纤(GDF)的纤芯/内包层直径为20/400 μm。为了保持对比实验中种子功率的一致性,种子激光的输出功率设定为80 W。经过一段包层光滤除(CLS)后,种子光通过前向合束器的信号臂注入放大器内,CLS被用于滤除包层中的后向抽运光和高阶模激光,以提高种子振荡器的光束质量。为了对比不同抽运方式的特点以及优化前后向抽运光比例,实验中将放大器设计为双向抽运结构,通过(6+1)×1的前/后向合束器分别将抽运光和信号光注入到增益光纤中。放大器的抽运源由976 nm稳波长光纤耦合半导体激光器(LD)组成,7个LD为一组,经过功率合束器后接入合束器抽运臂,总抽运功率约为5.4 kW。增益光纤采用美国Nufern公司生产的纤芯/包层直径为20/400 μm的大模场面积掺镱光纤(LMA-YDF),纤芯数值孔径为0.061,光纤长度为18 m。两个抽运合束器各含两根空置抽运臂,利用以色列Ophir公司生产的5 kW热电偶功率探头(PM)监测未吸收抽运光和在放大器中激发并放大的高阶模式。后向合束器输出尾纤尺寸为20/250 μm,与瑞典OPTOSKAND公司生产的输入臂尺寸为25/400 μm的商用光纤端帽(end cap)相连,并在端帽的尾纤上制作一段长度为18 cm的CLS对包层信号光和抽运光进行滤除。最后,采用功率计对依次通过准直器和高反镜的高功率激光的绝大部分能量进行测量。同时,利用日本横河公司生产的AQ6370D型光谱仪和美国Tektronix公司生产的TDS3052C型数字示波器分别对PM靶面的散射光进行光谱分析和时域特性探测。基于美国Spiricon公司生产的M2-200s-Fw测试仪搭建了空间光路光束质量测试系统,将输出激光经过高反镜(HR mirror)的透射光射入其中,对放大器的输出激光光束质量(M²)进行监测。实验中,所有光纤都放置在特别定制的水冷板上进行制冷,并根据测试结果对每次实验结构进行相应调整。

图 1. 双向抽运结构的全光纤放大器示意图

Fig. 1. Schematic of all-fiber amplifier with bi-directional pumping configuration

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3 实验结果与分析

3.1 弯曲选模抑制TMI效果研究

基于图1中的光纤放大器结构,研究了不同弯曲半径对放大器TMI阈值的影响。实验中设计了A、B两款水冷光纤盘,A和B的内/外圈直径分别为20/40 cm和10/15 cm。利用SeeFiberTool软件计算可知,在弯曲直径大于20 cm的情况下,增益光纤中的线偏振传输光场模式LP₁₁模由于弯曲光纤对其从纤芯泄漏至包层的损耗仅为0.2 dB/m;而当弯曲直径减小为10 cm时,LP₁₁模的弯曲损耗将增大到142 dB/m。因此,理论上通过弯曲增益光纤的方法可增大高阶模的损耗,从而实现TMI的抑制。实验中,首先,利用光纤盘A盘绕增益光纤,研究单端抽运条件下的模式不稳定阈值。在前向抽运和后向抽运方式下,放大器的输出功率如图2所示。前向抽运时,放大器在输出功率为1250 W时出现了由模式不稳定效应导致的功率下降。后向抽运时,放大器在输出功率为1470 W时,探测器在低频范围内监测到频域尖峰,表明放大器此时已经略微出现TMI迹象。由此可以看出,在不采取弯曲盘绕对高阶模进行抑制时,前向抽运和后向抽运方式的输出功率均受到不稳定模式的影响,模式不稳定阈值均较低。

图 2. 未进行TMI抑制时单向抽运结构的全光纤放大器输出功率曲线。(a)前向抽运输出功率及功率下降处细节图;(b)后向抽运输出功率及阈值处的频域信号

Fig. 2. Output power curves of all-fiber amplifier with single-directional pumping configuration before suppression of TMI. (a) Output power for forward pumping and detailed figure when output power drops; (b) output power for backward pumping and frequency domain signal at threshold

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为了提高放大器TMI的阈值,在不改变系统结构的情况下,利用光纤盘B进行光纤盘绕,将增益光纤的最小弯曲直径减小为10 cm,并再一次进行前向和后向单独抽运实验,结果如图3所示。在前向抽运条件下,能够实现功率大于1390 W的激光输出,此时斜率效率为67%,且输出功率能够持续线性增长,未出现功率滞涨的情况。另一方面,利用后向抽运,能够实现最高输出功率大于1800 W的激光输出,斜率效率为80%,同样也未出现功率滞涨等TMI现象。因此,无论是前向抽运还是后向抽运,小直径盘绕光纤的方法都能有效抑制TMI效应,提高TMI的阈值。考虑到前后向合束器的承受能力以及单向抽运能力的不足,本实验未继续增加抽运功率。

从图3所示的光谱可以看出:前向抽运情况下,当输出功率为1390 W时,1143 nm附近出现了抑制比为42 dB的SRS峰;但后向抽运情况下,当输出功率为1810 W时,在输出激光的光谱上还未观察到SRS散射光的成分。因此,实验结果也表明利用后向抽运可以提高SRS阈值^[39]。但考虑到后向合束器的功率承受能力,为兼顾合束器的安全和系统的稳定性,需要通过前后抽运功率优化来实现SRS的抑制。

图 3. TMI抑制后单向抽运结构的全光纤放大器的输出功率和输出光谱。(a)前向抽运输出功率及1390 W处光谱;(b)后向抽运输出功率及1810 W处光谱

Fig. 3. Output power and spectra of all-fiber amplifier with single-directional pumping configuration after suppression of TMI. (a) Output power and spectrum at 1390 W for forward pumping; (b) output power and spectrum at 1810 W for backward pumping

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3.2 采取双端抽运和弯曲选模,综合抑制TMI和SRS

利用减小弯曲半径的方法能够很好地抑制TMI效应,而且后向抽运方式的热分布较为均匀,能够实现更高的TMI阈值以及SRS阈值。但是由于单向抽运源功率的限制,前/后向单独抽运都无法实现抽运功率为3 kW的激光输出。因此必须采取双端抽运的方式,才有可能实现3 kW激光输出。

2017年,国防科技大学的陶汝茂课题组^[23]基于不同尺寸的光纤放大器,对双向抽运下不同功率配比的TMI阈值进行了理论计算,发现对20/400 μm增益光纤来说,当后向抽运光比例达到总抽运功率的75%时,可得到最高的阈值功率输出。2018年,Li等^[38]在25/400 μm增益光纤级联放大器的实验中发现,后向抽运光比例为70%时可得到最高TMI阈值输出。考虑到如图3所示单端抽运下的阈值情况,本实验结合以往研究和具体情况对抽运功率选择及配比进行实时调整。当前/后向抽运功率分别为1820 W和2240 W时,放大器实现了3003 W激光输出。但是如图4(a)所示,由于前向抽运功率占比较高(45%),SRS抑制比仅为10 dB。根据单端抽运的实验结果,后向抽运方式能够有效地提高SRS的阈值。为了抑制放大器中的SRS,当抽运源功率较高、输出功率接近3 kW时,适当降低前向抽运功率的比例,经过数次在高功率处的调整优化后,得到较好的SRS抑制结果。当前/后向抽运功率分别为1750 W和2320 W时,输出功率达到3011 W。如图4(b)所示,此时放大器的SRS抑制比提高到了24 dB。对输出功率为1 kW(P₁=1026 W)、2 kW(P₂=2065 W)和3 kW(P₃=3026 W)的光束质量(M²)进行了测量,结果如图4(c)所示。种子激光的光束质量约为1.45,随着功率的提升,激光器的光束质量出现了轻微的恶化,当输出功率刚超过3000 W时,M²值低于1.6,此时激光器输出光斑的形态良好,可以认为激光器还是输出近单模的激光。

对空置抽运臂激光的监测中,由于输出光方向的影响,后向激光增长幅度远大于前向激光,当输出功率达到3 kW时,两个剩余臂处监测到的功率约为70 W的后向激光输出,利用光谱仪可以发现,这主要是泄漏至包层中的高阶模信号光。图4(d)中的前向合束器激光经历了增至最大值23 W后下降到4 W的过程,这是主要是因为抽运源的中心波长逐步增大到增益光纤的最优吸收波长。由图4(e)可知,当输出功率小于2928 W时,斜率效率接近75%,当超过该功率点时,输出功率不再保持线性增长趋势,说明此时在光纤内激发产生并通过包层光滤除的高阶模激光成分增多。而从光-光转换效率的曲线也可以发现,随着输出功率的增加,效率从起始点的52%逐渐上涨到70%以上。这是由于实验中使用的是稳波长的LD(在第2节中已对LD进行说明),但是在电流较低时,LD的波长稳定性较差,未能达到增益光纤的最优吸收峰976 nm范围,导致吸收效果较差,激光器效率较低;当抽运功率增加时,由于LD的电流增加,波长稳定性增强,LD输出光谱的中心波长与增益光纤的最优吸收峰976 nm匹配较好,放大器的效率明显提升。当输出功率超过2928 W时,由于光纤中高阶模比例在高功率输出下相对变大,被CLS剥除的功率也相应增多,导致图4(e)所示的功率后期增长小幅下降,进而导致图4(f)所示的光-光转换效率曲线出现非线性增长。

图 4. 3 kW近单模光纤输出过程。(a)优化前不同输出功率下的光谱;(b)优化后不同输出功率下的光谱;(c) 1,2,3 kW下的光斑图及光束质量;(d)空置抽运臂激光;(e)输出功率随抽运功率的变化曲线;(f)光-光转换效率

Fig. 4. Output process of 3 kW near single-mode laser. (a) Spectra before optimization under different output powers; (b) spectra after optimization under different output powers; (c) beam spots and beam qualities at 1, 2, 3 kW; (d) output power of idle pumping port; (e) output power versus pump power; (f) optical-to-optical efficiency

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3.3 3 kW放大器长时工作特性研究

考虑到工业加工等应用领域对激光器长时间工作的稳定性和可靠性的要求,对所设计的3 kW放大器进行高功率连续测试实验。实验的时间为10 h,运行功率为3 kW,并对激光器的功率、光谱、光束质量和时域特性进行不间断监测。图5所示为10 h内3 kW激光器的输出功率以及功率波动曲线,可以发现,经过10 h的稳定运行,输出功率稳定在3060 W以上,激光器功率未出现下降。功率起伏比例小于0.5%,光-光转换效率保持为73%。上述实验结果表明该激光器可在长时间内稳定输出,未出现光子暗化现象。

图 5. 放大器连续工作10 h的测试结果。(a)输出功率曲线;(b)功率波动曲线

Fig. 5. Test results of amplifier for 10 h of operation. (a) Output power curve; (b) power fluctuation curve

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实验过程中每间隔20 min对光谱、M²和时域分布进行监测,部分结果如图6所示。从图6(a)可以发现,运行后60 min内,放大器的SRS散射光出现了缓慢增长,经过100 min运行后,各项指标和温度分布趋于稳定,SRS抑制比保持在20 dB左右。光束质量测量结果如图6(b)所示,长时间连续测试中,由于测试系统中的高反镜和准直镜的热效应导致测得的光束质量有所下降,但M²在连续测试过程中仍然能够保持在1.6~1.7。图6(c)给出了在长时间高功率连续测试中,随机存取的3次时域数据,由于制冷系统的影响,3次时域采集时对应的实时功率输出会有低量级的波动,在图6(c)中分别标示为P₁、P₂、P₃ 3个功率输出值。从时域信号可以看出,由于TMI的时域生长时间和表现时间在毫秒量级^[40],连续测试过程中100 ms尺度上输出激光时域起伏不大,输出稳定。对这3次时域信号进行傅里叶变换后得到如图6(d)所示的结果,在kHz水平的频域数据上都没有观察到TMI特征频率尖峰,且频域信号均匀,时/频域上的信号皆说明连续测试过程中没有发生模式不稳定。

图 6. 连续测试的10 h内不同时刻的输出结果。(a) 光谱;(b)光束质量;(c) 时域分布;(d) 频域分布

Fig. 6. Output results at different moments in 10 h of continuous test. (a) Spectra; (b) beam qualities;(c) time domain distributions; (d) frequency domain distributions

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4 结论

对3 kW近单模全光纤放大器的实现及其稳定长时输出进行实验研究。结果表明,采用减小增益光纤弯曲半径的方式能够滤除光纤中的高阶模式,对提高放大器TMI阈值具有显著作用,在前/后向单端抽运的情况下其阈值功率可分别提升11%和22%。由于减小弯曲半径的方法可滤除进入增益光纤前段的高阶模,后向抽运下放大的输出激光高阶模成分比前向抽运更少,且后向抽运对于热分布更具优势,模式不稳定抑制效果也更明显;优化前/后向抽运功率配比来综合抑制SRS与TMI,采用双端抽运方式实现了功率大于3 kW的激光输出,在SRS抑制比为24 dB时,光束质量低于1.6,近似单模输出,因此抑制SRS对光纤的热管理有一定的促进作用,并能提高TMI阈值,有利于激光器稳定工作。同时,还研究了放大器长时间工作特性,在3 kW水平进行了10 h的连续测试实验。SRS抑制比稳定在20 dB左右,光束质量可稳定保持1.7以下,输出光斑形态良好,时/频域上也未观察到模式不稳定效应特征。所设计的激光器性能稳定,有望用于工业加工等应用并实现长时间工作。