高功率光纤激光的热光效应

封面文章|李学文,于春雷,沈辉,柏刚,邹星星,尤阳,全昭,李秋瑞,漆云凤,何兵,周军. 高功率光纤激光热光效应及模式不稳定阈值特性研究[J].中国激光,2019,46(10):1001001

高功率光纤激光具有光束质量好、效率高、结构紧凑、柔软性操作等突出优点,广泛应用于工业加工、国防、科研等领域。近年来,随着技术的不断成熟,光纤激光器的输出功率呈现出指数增长的趋势。

提升光纤激光输出功率的主要途径是增大纤芯直径,然而,增大纤芯直径会增加纤芯中传输的本征模式数量,在高功率强泵浦条件下,会出现模式不稳定效应,即随着输出功率的提升发生的模式突变。这一效应会使高功率光纤激光光束质量急剧恶化,且会限制了激光输出功率进一步的提升。

由于模式不稳定阈值与信号光线宽正相关,高功率窄线宽激光器中的热致模式不稳定阈值功率远低于宽谱光纤激光器,因此对于窄线宽光纤激光中的热光效应及其热致模式不稳定阈值影响机理研究则更为迫切。

针对此问题,上海光机所漆云凤研究员课题组与于春雷研究员课题组合作,模拟了高功率强泵浦下光纤泵浦吸收系数变化对光纤热沉积的影响,分析了热光效应导致的光纤折射率变化对光纤数值孔径的影响。同时研制了新型的高功率大模场有源光纤,并开展了高功率窄线宽光纤放大及热致模式不稳定效应的实验研究。实验结果与理论符合,为获得更高功率光纤激光输出提供了一种新颖有效的技术途径。

理论仿真有源光纤吸收系数变化对光纤热沉积、热致折射率变化以及光纤数值孔径的影响,仿真结果如图1所示。分析表明:降低光纤泵浦光吸收系数,可减小热光效应对光纤纤芯数值孔径的调制,进而可提高热致模式不稳定阈值功率。

图1 a)不同吸收系数光纤对热致折射率变化的影响; b) 纤芯 NA 对模式不稳定阈值影响

为了验证理论仿真结果,该课题组展开了高功率模式不稳定实验,搭建了多级级联高功率全光纤放大器实验平台。如图2所示,主放大器的增益光纤采用两款吸收系数不同的有源光纤:高吸收系数光纤A(1.71 dB/m)、低吸收系数光纤B(1.2 dB/m),以对比分析放大后的模式不稳定阈值的特性。且实验从时域、频率和光束质量三个方面,对模式不稳定效应进行了研究和分析。实验结果表明,相同条件下,光纤A 的模式不稳定阈值激光功率约为800W,光纤B的模式不稳定阈值激光功率则超过1700 W。

图 2 全光纤高功率窄线宽光纤激光放大器结构图

实验结果与理论分析所得到的结论吻合,证明降低泵浦吸收系数可提高模式不稳定阈值。

该研究结果对设计研制大模场有源光纤提供了有效途径,进而可促进高功率光纤激光输出功率的提高。