光学学报, 2022, 42 (23): 3788/AOS2336001, 网络出版: 2022-12-14   

后向级联泵浦的10 kW高光束质量光纤激光器 下载: 523次

10 kW Counter-Tandem-Pumped Fiber Laser with High Beam Quality
肖虎 1,2,3李瑞显 1,2,3陈子伦 1,2,3奚小明 1,2,3吴函烁 1,2,3冷进勇 1,2,3黄良金 1,2,3潘志勇 1,2,3王小林 1,2,3王泽锋 1,2,3周朴 1,*陈金宝 1,2,3
作者单位
1 国防科技大学前沿交叉学科学院,湖南 长沙 410073
2 国防科技大学南湖之光实验室,湖南 长沙 410073
3 国防科技大学高能激光技术湖南省重点实验室,湖南 长沙 410073
摘要
实现万瓦级高光束质量光纤激光面临模式控制和非线性效应抑制等技术难题。为兼顾光束质量和功率,设计了基于纤芯直径为30 μm、包层直径为250 μm的双包层掺镱光纤的后向级联泵浦激光器,实现了输出功率为10.03 kW、M2因子为1.92、拉曼抑制比大于38 dB的激光输出,实现万瓦级光纤激光器的光束质量M2优于2,这验证了常规双包层光纤具有支撑万瓦高光束质量激光产生和放大能力。
Abstract
Mode control and nonlinear effect suppression are technical problems to obtain 10 kW-level fiber laser with high beam quality. For the purpose of high beam quality and output power, a counter-tandem-pumped fiber laser employing a double clad fiber with a fiber core diameter of 30 μm and a clad diameter of 250 μm is demonstrated. A laser output with an output power of 10.03 kW, a beam quality factor M2 of 1.92, and a Raman inhibition ratio of 38 dB is achieved. A beam quality factor M2 better than 2 is realized, which confirms the possibility of generation and amplification of 10 kW-level fiber laser of high beam quality with conventional double clad fibers.

2009年,美国IPG公司报道了10 kW单模光纤激光器,在国际高功率光纤激光领域引起了巨大轰动1。不同于半导体激光器(LD)泵浦方案,IPG公司的10 kW单模光纤激光器采用级联泵浦技术,以高亮度的1018 nm光纤激光器为泵浦源,解决了当时LD亮度不足的问题,使单模光纤激光器功率实现了从千瓦级到万瓦级的提升。此后,国内外多家研究机构开展了高功率级联泵浦研究2-4。为解决镱离子固有的1018 nm附近弱吸收问题,通常需增大掺镱光纤纤芯直径以增强泵浦光吸收。近年来,国内多家单位基于超大模场光纤(芯径约为50 μm)实现了10~20 kW的高功率输出5-9。但在提升输出功率的同时保持良好的光束质量仍面临巨大挑战。目前公开报道的10 kW级光纤激光器的最优光束质量M2约为3,仍有较大的优化空间。引入弯曲损耗以抑制纤芯高阶模式,是高功率大模场光纤激光器常见的光束质量控制方法。但随着纤芯直径的增大,基模与高阶模式间的有效折射率差值逐渐减小,通过弯曲光纤难以有效滤除高阶模式10。适当减小纤芯直径是获得高光束质量激光的关键。采用后向/双向泵浦技术可有效解决芯径减小引起的受激拉曼散射(SRS)阈值降低问题,实现功率的提升11-12

为研制万瓦级高光束质量光纤激光器,国防科技大学开展了后向/双向级联泵浦技术研究,在1018 nm光纤激光器结构优化和大模场光纤后向合束器研制等方面取得了进展。基于后向和双向级联泵浦,先后实现了5.03 kW13M2=1.54)和6.22 kW14M2=1.53)高功率输出。2022年,李瑞显等15基于自研的纤芯直径为30 μm、包层直径为250 μm(30 μm/250 μm)的双包层掺镱光纤(YDF),采用后向泵浦方案实现了8.38 kW的高光束质量激光输出(M2=1.8)。近期,在进一步抑制模式不稳定(TMI)和SRS的基础上,实现了10.03 kW的高光束质量激光稳定输出。激光器结构示意图如图1所示,1080 nm种子激光经倾斜光栅(CTFBG)、模式适配器(MFA)和包层光滤除器(CPS1)后进入掺镱光纤(YDF)。YDF为常规双包层光纤,纤芯直径和数值孔径分别为30 μm和0.06,内包层直径和数值孔径分别为250 μm和0.46。YDF的内包层为八边形结构,其包层小信号吸收系数约为0.4 dB/m@1018 nm,长度为38 m。YDF固定于内径为16 cm的跑道型水冷板上进行冷却。1018 nm泵浦光经自研的后向(6+1)×1合束器(PSC)泵浦臂注入YDF内包层。PSC的信号输入/输出臂均为YDF匹配的30 μm/250 μm无源光纤。残余泵浦光由CPS1滤除,放大后的激光经CPS2滤除少量包层光后从端帽(QBH)输出。为实时监测激光器特性,输出激光经准直器(CO)准直后由高反镜(HR)进行分束。大部分激光经HR反射后进入功率计(PM),HR透射光进入光束质量仪(LQM)、光谱仪(OSA)和光电探测器(PD)以监测输出激光的光束质量、光谱和时域稳定性。

图 1. 10 kW光纤激光器结构示意图

Fig. 1. Schematic diagram of 10 kW fiber laser

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激光器的输出功率随泵浦功率线性增长,如图2(a)所示。当注入最大泵浦功率为12.47 kW时,输出激光功率为10.03 kW,对应的整体斜率效率为79.1%。图2(b)所示为激光器输出光谱。光谱随输出功率的增加逐渐展宽,最高功率时的3 dB线宽为3.72 nm。从图中可以看出,随着功率的增加,模间四波混频效应逐渐增强。在模间四波混频的作用下,在1070 nm和1090 nm附近各产生了一个次峰并且峰值随功率的增加迅速增长,导致光谱的10 dB线宽迅速增大,最高功率时的10 dB线宽为18.56 nm。尽管在最高功率时光谱已展宽至1160 nm,但1135 nm附近未出现明显的拉曼特征峰。输出激光光束质量随功率的变化如图2(c)所示。激光功率由1000 W增长至8000 W的过程中,光束质量M2在1.65~1.75区间小幅度变化。当输出激光功率大于8 kW时,光束质量随功率的增加缓慢退化。9200 W时M2=1.85,10030 W时M2为1.92。准直透镜和高反镜的热效应可能是导致高功率时光束质量缓慢退化的原因之一。图2(d)所示为输出激光的时序稳定性测量结果。激光器进行了多次满功率出光测试,功率和光谱一致性较好。图2(c)记录了满功率运行时的功率稳定性。200 s测量时间内功率起伏小于1%,频谱分析结果表明此时未出现TMI。激光器满功率运行时增益光纤的最高温度为60 ℃,仍处于长时间安全工作温度范围内。当前激光器功率提升受限于可注入泵浦功率,从输出功率线性增长趋势和光谱信噪比判断,在泵浦功率充足的前提下,输出功率仍有一定的提升空间。通过改善测试光路光学元件性能并优化增益光纤的弯曲半径,输出激光的光束质量有望得到进一步优化。

图 2. 10 kW激光器测试结果。(a)输出功率;(b)光谱随输出功率的变化;(c)光束质量随输出功率的变化;(d)时序和频谱(插图)

Fig. 2. Experimental results of 10 kW fiber laser. (a) Output power; (b) spectrum varying with output power; (c) beam quality varying with output power; (d) power fluctuation and its Fourier spectrum (inset)

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基于自研常规双包层掺镱光纤,本工作实现了高光束质量(M2<2)单纤万瓦光纤激光稳定输出:一方面证明了后向泵浦是级联泵浦光纤激光器大幅提升SRS和TMI阈值的重要技术途径;另一方面验证了常规大模场双包层光纤具有支撑万瓦级高光束质量激光的产生和放大能力,可为万瓦级单模光纤激光器的设计和研制提供参考。下一步工作中将通过优化光纤弯曲半径以抑制高阶模,同时适当增大纤芯直径并减小数值孔径以增大模场面积,实现功率和光束质量的稳步提升。

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