高功率铒镱共掺光纤激光器研究进展 
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1 引言
随着高功率半导体激光技术和包层抽运技术的成熟,光纤激光器的输出功率飞速攀升,从毫瓦级增至万瓦级[1-2]。相比于万瓦量级的1 μm掺镱光纤激光器,百瓦量级的1.5 μm高功率光纤激光器,由于其具有低大气传输衰减和高人眼损伤阈值[3],在卫星遥感[4]、激光雷达[5]、空间光通信[6]等领域有着极大的应用需求。
实现1.5 μm高功率光纤激光器的方案主要有三种。1)拉曼光纤激光器,2013年Supradeepa等[7]通过5级拉曼频移在1480 nm实现了301 W的功率输出。该类型激光器常作为抽运源用于同带抽运掺铒/铒镱共掺光纤激光器[8]。2)掺铒光纤激光器[9-10],2012年OFS Lab[11]采用1480 nm拉曼激光器抽运实现1554 nm 101 W激光输出,斜率效率高达75%。由于高功率的同带抽运源获取难度大,限制了其更高功率输出。在采用976 nm半导体抽运源方面,南安普顿大学光电研究中心(ORC)[12]于2018年基于146/700 μm超大芯径掺铒光纤实现1601 nm 656 W激光输出,但由于超大芯径带来的激光光束质量差,其主要应用仅限于掺铥光纤激光器的抽运源。3)铒镱共掺光纤激光器,早在2007年Jeong等[13]基于线性腔振荡结构实现了1567 nm 297 W激光输出。由于铒镱共掺光纤高增益、大吸收截面和高能量转化效率,一直被认为是1.5 μm实现高功率输出的最佳选择。同时,高功率铒镱共掺光纤激光系统可实现超窄线宽,具有良好的光束质量和噪声特性,使其在激光测距[14]、引力波测量[15]等应用上优势显著。
本文首先介绍了高功率铒镱共掺光纤激光器的研究现状,主要从铒镱共掺光纤及其激光系统的发展历程和近年来研究较多的高功率窄线宽光纤激光器两方面展开介绍;随后分析了在铒镱共掺光纤激光系统中制约其功率攀升的主要原因,包括光纤热效应、受激布里渊散射和镱波段放大的自发辐射(Yb-ASE);最后从光纤材料与结构、激光系统结构两个方面阐述了抑制Yb-ASE的方案。
2 铒镱共掺光纤及光纤激光器的发展
铒离子能级结构复杂,在高浓度掺杂下易出现浓度猝灭,且吸收截面相对较小。镱离子的共掺,能分散铒离子、减少离子聚集,从而降低高浓度铒掺杂时的浓度淬灭。同时,通过交叉弛豫过程镱离子敏化铒离子,有效提升铒镱共掺光纤对抽运光的吸收。1987年,南安普顿大学ORC团队基于改进化学气相沉积工艺(MCVD)和液相掺杂技术制备出第一根石英基铒镱共掺光纤[16]。1992年,澳大利亚悉尼大学光纤技术中心[17]通过类似于溶胶凝胶法的快速凝固技术制备出P2O5含量高达17%(摩尔分数)的铒镱共掺光纤,掺P含量的提高,有利于实现稀土离子的重掺杂。1996年,南安普顿大学ORC团队[18]研究发现P=O双键的高声子能量特性有利于抑制处于激发态的Er3+向Yb3+的能量反传递,提高能量传递效率。因此,至今商用的铒镱共掺光纤纤芯基质均为磷硅酸盐。
国内,MCVD和液相掺杂技术制备的铒镱共掺光纤最早报道于2004年[19]。2007年中国电子科技集团第46研究所[20]基于MCVD工艺制备的铒镱共掺光纤在976 nm处的包层吸收系数达2 dB/m。2012年,华中科技大学李进延团队[21]基于反向沉积的MCVD工艺实现了重掺P,获得在976 nm吸收系数为2.3 dB/m的双包层铒镱共掺光纤(DC EYDF),并利用该光纤实现了3.2 W激光输出。总体而言,国内MCVD技术制备铒镱共掺光纤的难点主要集中于纤芯中P2O5的高浓度掺入、稀土离子的掺入比例优化和低损耗控制。
近年来,为了提高激光器的输出功率同时保证其光束质量,降低非线性效应阈值,大模场低数值孔径(
首台铒镱共掺光纤激光器(EYDFL)[24]报道于1988年。此时,由于增益光纤和抽运源的限制,输出功率仅为1.5 mW。得益于Snitzer提出的双包层光纤结构,激光器功率逐渐突破瓦级[25],2003年,Sahu等[26]通过单端975 nm空间包层抽运方式实现1.57 μm 103 W连续激光输出,高功率抽运下,铒镱共掺激光器功率实现百瓦量级输出。2007年,Jeong等[13]报道的单端975 nm空间包层抽运激光器,最大输出功率达297 W,当输出激光功率高于210 W时,产生了镱离子1.06 μm寄生激光,激光斜率效率显著降低,由43%降至19%。2014年,加拿大拉瓦尔大学[27]制备了17/125 μm的铒镱共掺光纤,其中该光纤为铝磷硅酸盐基质,通过调整镱铒共掺杂比例,实现1585 nm 264 W激光输出,光光效率达74%。国内,铒镱共掺激光器最早报道于2003年[28],2013年复旦大学沈德元团队[29]基于975 nm空间包层泵源25/400铒镱共掺光纤实现了77 W激光输出,斜率效率为37%。
图 1. 三包层铒镱共掺光纤。(a)光纤剖面几何结构;(b)光纤折射率剖面图[22]
Fig. 1. Erbium-ytterbuim codoped triple-clad fiber. (a) Geometry structure of triple-clad fiber profile; (b) refractive index profile of triple-clad fiber[22]
表 1. 高功率铒镱共掺光纤激光器的代表
Table 1. Representations of high-power erbium-ytterbium codoped fiber lasers
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随着铒镱共掺光纤激光器在自由空间光通信、激光雷达、引力波探测等高新科技中的应用,超窄线宽、近散粒噪声极限、近衍射极限的高功率窄线宽铒镱共掺光纤激光器成为了研究热点。2004年,南安普顿大学Alegria等[32]以窄线宽分布式反馈半导体激光器(LD)为种子源,基于三级主振荡功率放大(MOPA)结构采用30/400双包层铒镱共掺光纤,实现了1552 nm 83 W连续激光输出,线宽为13 kHz。2005年,该团队Jeong等[33]以线宽小于1 MHz外腔可调的LD为种子源,搭建了两级MOPA结构,实现了在1563 nm处151 W的单频输出。
窄线宽激光器的种子源直接决定了最终输出激光的线宽特性。目前,超窄线宽种子源多选用美国NP Photonics产品,该公司于2001年制备了1535 nm处吸收系数为5 dB/cm的磷酸盐铒镱共掺光纤[35],2004年利用此光纤作为增益介质搭建如
图 2. 1535 nm窄线宽激光器。(a)激光器结构图;(b)未达阈值时的ASE图谱[34]
Fig. 2. 1535 nm fiber laser with narrow linewidth. (a) Schematic of laser; (b) ASE below threshold[34]
2013年华南理工大学的Yang团队[38]以自制的2 kHz窄线宽激光器为种子源,7 m长10/128 μm的铒镱共掺光纤为增益介质,实现了在1560 nm全光纤单级MOPA激光器10.9 W连续激光输出,线宽小于3.5 kHz。2014年德国汉诺威激光中心Steinke等[22]利用千赫兹级窄线宽激光器为种子源,基于INO的三包层铒镱共掺光纤实现了61 W高光束质量激光输出,TEM00模占比高于90%,但镱波段寄生激光高达40 W。2015年天津大学Bai等[39]以700 Hz窄线宽激光器为种子源,基于三级全光纤MOPA结构,如
图 3. 天津大学实现56.4 W激光输出的实验结构[39]
Fig. 3. Experimental structure of 56.4 W continuous laser output from Tianjin University[39]
3 功率攀升的关键限制因素
当前,铒镱共掺光纤激光器功率攀升的关键限制性因素主要有:光纤热效应、受激布里渊散射以及镱离子放大自发辐射。
铒镱共掺光纤激光器在激光输出时光纤热效应严重,主要的热源为激光跃迁过程中的量子亏损。量子亏损来源于两部分,其一为镱离子向铒离子能量传递的不充分,其二为975 nm抽运光产生1550 nm激光约37%的量子亏损。光纤热效应会导致镱离子吸收和发射截面减小、荧光寿命降低,从而降低系统效率[40];此外,窄线宽激光器中,光纤热效应会引起非线性效应,导致激光器斜率效率下降、线宽展宽和信号光漂移[41]等,制约功率进一步提升[42]。为了抑制光纤热效应,通常从三个方面进行控制:采用低吸收大芯径光纤结构,以减小纤芯单位面积的热负载;采用双端抽运,分布式侧面抽运等抽运方式,有效解决温度分布问题,减少热效应产生;合理设计刻有U型或 V型凹槽的金属热沉,通过水冷方式带走热量[43]。
非线性效应主要包括受激拉曼散射(SRS)和受激布里渊散射(SBS)。SBS阈值较低,易激发,激发后大量信号光会转化为后向斯托克斯光,严重限制窄线宽激光器的功率攀升,且对频谱线宽和光信噪比带来不利影响。由于SBS的阈值与纤芯有效面积成正比,与增益光纤长度成反比[44],因此增大模场面积减小增益光纤长度是抑制SBS的有效途径[32];此外,Mermelstein等[45]采用光纤轴向环境温度渐变的控制方式,有效抑制SBS。其原理为不同的温度会产生不同的SBS增益峰值,而上一段光纤中SBS传输到下一段时,增益峰值不同,导致SBS不能被放大,因此难以达到SBS的激发阈值。
镱离子放大自发辐射是限制铒镱共掺光纤激光器发展的最关键因素。当抽运源抽运功率较高时,镱离子吸收的抽运能量就会大于其向铒离子传递能量,处于激发态的大量剩余镱离子就会产生放大自发辐射(Yb-ASE),也被称为瓶颈效应[13]。随着抽运功率进一步增加,上能级的Yb3+会不断积累,容易产生寄生激光和自脉动,从而大幅降低激光器的斜率效率,造成系统功率不稳,甚至光纤损伤[46];此外,1 μm激光输出降低了“人眼安全”特性,使铒镱共掺光纤激光器的应用严重受限。为改善Yb-ASE问题,可从优化光纤和优化激光系统结构两个方面进行。光纤方面,通常基于光纤组份调节或光纤结构设计来实现Yb-ASE性能的改善;激光系统方面,通过降低镱离子激发效率或提取镱离子激发态能量来控制Yb-ASE。
3.1 优化光纤组分与结构设计
优化光纤组分主要是通过剪裁镱铒离子的比例,降低处于激发态镱离子的数目,提高镱离子向铒离子交叉弛豫的能量传递效率,从而抑制Yb-ASE。优化纤芯掺杂离子能从根本上改善Yb-ASE,提高光纤性能。Nufern公司2008年推出了新一代EYDF(SM- EYDF- 6/125- HE),该光纤具有低Yb-ASE的性能。2018年iXblue公司[47]优化纤芯组分,通过12/125的铒镱共掺光纤实现在输出功率为20 W时,仅有1 mW的Yb-ASE产生,斜率效率达46.3%。
光纤结构设计方面,主要是引入特殊的结构,增加镱离子波段传输衰减,抑制Yb-ASE。2008年Shirakawa等[48]利用光子晶体光纤(PCF)对短波长光的滤波作用,通过合适的弯曲半径有效滤除Yb-ASE,保证了1.55 μm信号光输出的稳定性。2014 年,Ouyang等[49]在有源光纤两端分别熔接一段光子带隙光纤来衰减Yb-ASE,提高其产生寄生激光的阈值。
3.2 优化光纤系统结构
非峰值抽运方案是抑制Yb-ASE的有效途径之一。非峰值抽运采用波长为940 nm或915 nm的激光器进行抽运,而避免使用常用的镱离子吸收峰976 nm的半导体抽运源,从而降低镱离子激发效率。
2016年,Creeden等[31]首次提出用940 nm LD作为抽运源,搭建两级MOPA结构,如
图 4. 非峰值抽运高功率铒镱共掺光纤放大器的结构[31]
Fig. 4. Structure of erbium-ytterbium codoped fiber amplifier with off-peak-pumped high power[31]
通过在激光系统中添加辅助抽运源[46, 52]、环形器[53-54]或光栅[55-57]来增加反馈,是在放大器结构中常采用的抑制Yb-ASE的方案。通过上述方法增加反馈,可以提取镱离子激发态能量,使之以受激辐射的形式产生激光,从而抑制Yb-ASE。主动促进1 μm激光激发能有效抑制寄生激光和自脉冲的出现[52],大大提高放大器的工作稳定性,并使1.55 μm信号光的输出功率获得提升。同时形成的激光可通过“二次抽运”方式,再次激发稀土离子从而提高斜率效率。
2014年,Sobon团队搭建了利用两个单模WDM构成1060 nm环形谐振腔的全光纤两级MOPA结构,如
图 5. 拥有Yb带环形谐振腔的全光纤MOPA结构[54]
Fig. 5. All-fiber MOPA structure with Yb band ring resonator[54]
反向传输的ASE是影响放大器工作稳定性的主要因素。2015年,Han等[55]提出通过引入1032 nm光纤布拉格光栅(FBG)用于反射后向Yb-ASE,产生与抽运传输方向相同的镱离子激光。镱波段辅助信号光的受激放大和重吸收效应,使Yb-ASE显著降低,放大器的抽运转化效率大大提升,输出功率与未加FBG的结构相比提高20%。2017年,该团队[58]提出引入一对中心波长为1031 nm的FBG构成镱带谐振腔,当抽运功率为17 W时,输出信号功率为7.25 W,斜率效率达到42.6%,无Yb-ASE,且有很好的增益平坦效应。
4 结论
铒镱共掺光纤通常采用MCVD结合液相掺杂技术制备,在制备过程中需要实现易挥发元素磷的高浓度均匀掺杂,同时避免纤芯损耗增加、折射率中心凹陷和高数值孔径等问题。为了满足铒镱共掺光纤激光器实现高输出功率、高光束质量、超窄线宽、无Yb-ASE、无SBS和较好的噪声性能等,大模场面积、低数值孔径增益光纤将成为未来铒镱共掺光纤的主要发展方向。其中三包层光纤和纤芯重掺氟是实现大模场单模运转比较成熟的解决方案。
1.5 μm高功率激光器方面,由于掺铒大模场光纤制备技术逐渐成熟,掺铒光纤激光器实现了最高656 W的激光输出,使之成为在该波段实现高功率输出的主要方案之一;铒镱共掺光纤激光器以其频谱线宽窄、增益高、光束质量佳、噪声性能好等优势仍然为该波段的主流研究方向。铒镱共掺光纤激光器在功率攀升方面的主要瓶颈在于高抽运功率下镱离子放大自发辐射和975 nm抽运存在较高的量子亏损。解决上述问题从激光器角度出发一般采用以下两种方式:一是非峰值抽运,以940 nm LD作为抽运源,使抽运吸收和增益被均匀地分布在整个光纤中,增加了Yb-ASE的阈值,降低了光纤热效应;二是调整激光器结构,通过辅助抽运法,将镱离子过剩的上能级能量提取出来形成激光,对铒镱共掺光纤进行“二次抽运”,不仅可以抑制Yb-ASE,而且可以提高激光效率。非峰值抽运结合辅助信号抽运法将是未来实现铒镱共掺光纤激光器高功率输出的最主要方案之一。随着铒镱共掺光纤激光器在高功率和窄线宽方面的进一步突破,其在激光测距、自由空间光通信和引力波测量等方面的应用范围将进一步扩大。
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