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高功率连续波掺镱光纤激光器研究进展

党文佳 李哲 李玉婷 卢娜 张蕾 田晓 杨慧慧

党文佳, 李哲, 李玉婷, 卢娜, 张蕾, 田晓, 杨慧慧. 高功率连续波掺镱光纤激光器研究进展[J]. 中国光学, 2020, 13(4): 676-694. doi: 10.37188/CO.2019-0208
引用本文: 党文佳, 李哲, 李玉婷, 卢娜, 张蕾, 田晓, 杨慧慧. 高功率连续波掺镱光纤激光器研究进展[J]. 中国光学, 2020, 13(4): 676-694. doi: 10.37188/CO.2019-0208
DANG Wen-jia, LI Zhe, LI Yu-ting, LU Na, ZHANG Lei, TIAN Xiao, YANG Hui-hui. Recent advances in high-power continuous-wave ytterbium-doped fiber lasers[J]. Chinese Optics, 2020, 13(4): 676-694. doi: 10.37188/CO.2019-0208
Citation: DANG Wen-jia, LI Zhe, LI Yu-ting, LU Na, ZHANG Lei, TIAN Xiao, YANG Hui-hui. Recent advances in high-power continuous-wave ytterbium-doped fiber lasers[J]. Chinese Optics, 2020, 13(4): 676-694. doi: 10.37188/CO.2019-0208

高功率连续波掺镱光纤激光器研究进展

doi: 10.37188/CO.2019-0208
基金项目: 国家自然科学青年基金项目(No.11804264);陕西省自然科学基础研究计划资助项目(No.2019JQ-914);陕西省创新能力支撑计划项目(No.2019KRM093);陕西省教育厅专项科研计划项目(No.17JK0394、No.19JK0429)
详细信息
    作者简介:

    党文佳(1983—),女,博士,讲师,陕西西安人,2015年于西安电子科技大学获得工学博士学位,主要从事光外差探测、光纤激光器及光电子技术方面的研究。E-mail:wenjia_dang@126.com

  • 中图分类号: O436

Recent advances in high-power continuous-wave ytterbium-doped fiber lasers

Funds: Supported by the National Natural Science Foundation of China (No.11804264); Natural Science Basic Research Program of Shaanxi (No.2019JQ-914); Innovation Capability Support Program of Shaanxi (N0.2019KRM093); Scientific Research Program Funded by Shaanxi Provincial Education Department (No.17JK0394; No.19JK0429)
More Information
  • 摘要: 高功率连续波掺镱光纤激光器因具有电光效率高、光束质量好、热管理方便等优点,在工业加工、军事国防、科学研究等领域得到广泛应用,但是高功率条件下的非线性效应和热效应限制了其输出功率的进一步提升。基于此,本文重点分析了受激拉曼散射非线性效应和热致模式不稳定现象的形成机理和抑制方法,为高功率光纤激光系统的设计与集成提供了参考,并详细介绍了2015年以来为克服两种因素的影响所取得的最新研究成果,最后展望了高功率连续波掺镱光纤激光器的发展趋势。
  • 图  1  硅基光纤的拉曼增益谱[20]

    Figure  1.  Raman gain spectrum of silica fibers[20]

    图  2  热致折射率光栅的物理机制[42]

    Figure  2.  Physical mechanism of thermally induced grating[42]

    图  3  5 kW全光纤单模光纤激光器的示意图[51]

    Figure  3.  Schematic diagram of 5 kW all-fiber single mode fiber laser[51]

    图  4  5 kW全光纤激光器输出特性。(a)输出功率与光束质量;(b)输出光谱[51]

    Figure  4.  Output performance of 5 kW single mode all-fiber oscillator. (a) Output power and beam quality; (b) output spectrum of 5 kW fiber laser[51]

    图  5  (a)MOPA结构全光纤激光器结构示意图;(b)全光纤激光振荡器结构示意图[52]

    Figure  5.  (a) Schematical setup of the monolithic fiber amplifier; (b) schematical setup of the fiber oscillator[52]

    图  6  (a)全光纤激光振荡器效率;(b)全光纤激光振荡器光谱随功率变化[52]

    Figure  6.  (a) Efficiency of the fiber oscillator; (b) spectral evolution of the fiber oscillator with increasing power[52]

    图  7  全光纤激光振荡器实验结构[56]

    Figure  7.  Experimental setup of the monolithic fiber laser oscillator[56]

    图  8  (a)输出功率及其斜率效率;(b)输出光谱;(c)5.2 kW的时域信号及其傅立叶光谱[56]

    Figure  8.  (a) Output power and corresponding optical effciency at different pump powers; (b) optical spectrum of the output laser; (c) time domain signal and its Fourier spectrum at an output power of 5.2 kW[56]

    图  9  全光纤激光振荡器实验结构[58]

    Figure  9.  Experimental setup of the monolithic fiber laser oscillator[58]

    图  10  (a)全光纤激光振荡器的斜率效率;(b)不同功率时的输出光谱[58]

    Figure  10.  (a) Slope efficiency of the monolithic fiber laser oscillator; (b) optical spectra at different output powers[58]

    图  11  (a)增益光纤与传输光纤的折射率分布;(b)激光器功率及斜率效率;(c)光束质量[59]

    Figure  11.  (a) Refractive index profiles of a matched passive-active fiber couple; (b) slope efficiency of the laser power; (c) corresponding beam M 2 measurement[59]

    图  12  全光纤激光器和输出特性测试系统示意图[60]

    Figure  12.  Schematic diagram of the all-fiber-integrated fiber laser and the measuring system

    图  13  级联泵浦光纤激光器中抑制SRS的实验结构示意图[62]

    Figure  13.  Schematic of experimental configuration for the suppression of SRS in a tandem pumping fiber amplifier[62]

    图  14  输出光谱随泵浦功率的变化。(a)不使用CTFBG;(b)使用一个CTFBG;(c)使用两个CTFBG[62]

    Figure  14.  Changing spectra of output as the pump power increases (a) without and (b) with a CTFBG and (c) with two CTFBGs inserted[62]

    图  15  (a)在合适的种子功率注入条件下的全光纤放大器斜率效率;(b)全光纤放大器在最大输出功率时的输出光谱[63]

    Figure  15.  (a) Slope efficiency of the all-fiber amplifier with a suitable seed power injected; (b) spectra of the all-fiber amplifier signal beam at the maximum output power[63]

    图  16  用于增益光纤性能测试的MOPA光纤激光系统[65]

    Figure  16.  MOPA configuration for fiber performance test[65]

    图  17  (a)Yb/Ce共掺光纤放大器的输出功率随泵浦功率的变化;(b)增益光纤在4.62 kW时的热像图;(c)激光光谱[65]

    Figure  17.  (a) Output power of the Yb/Ce co-doped fiber power amplifier varying with the increase of pump power; (b) thermal image of the active fiber at 4.62 kW; (c) laser spectrum[65]

    图  18  (3+1)型GT-Wave光纤结构示意图。(a)横截面;(b)侧面视图[66]

    Figure  18.  Schematic diagram of (3+1) GT-Wave fiber. (a) Cross-section; (b) side-view[66]

    图  19  (8+1)型GT-wave光纤激光放大器实验系统[67]

    Figure  19.  Experimental setup of (8+1) GT-Wave fiber amplifier system[67]

    图  20  (8+1)型GT-wave光纤激光放大器输出功率和输出光谱[67]

    Figure  20.  Laser output power and output spectrum of (8+1) GT-Wave fiber[67]

    图  21  6 kW双向泵浦的MOPA结构全光纤激光器结构示意图[69]

    Figure  21.  Schematic of all-fiber 6 kW bidirectional pumping MOPA laser[69]

    图  22  (a)系统输出功率随泵浦功率的变化;(b)光纤放大器的输出出光谱[69]

    Figure  22.  (a) Output power of the system versus the total pumping power; (b) spectrum of output laser from the fiber laser amplifier[69]

    图  23  (a)5 kW和(b)8 kW连续波全光纤激光器结构示意图[70]

    Figure  23.  Schematic configurations of the 5 kW (a) and 8 kW (b) CW monolithic fiber laser[70]

    图  24  (a)5 kW光纤激光器输出功率;(b)5 kW光纤激光器输出光谱;(c)8 kW光纤激光器输出功率;(d)8 kW光纤激光器输出光谱[70]

    Figure  24.  (a) Output power of the 5 kW fiber laser; (b) output spectrum of the 5 kW fiber laser; (c) output power of the 8 kW fiber laser; (d) output spectrum of the 8 kW fiber laser[70]

    图  25  激光实验装置示意图[71]

    Figure  25.  Experimental setup of the laser system[71]

    图  26  (a)激光功率和斜率效率曲线;(b)不同功率光谱测试结果[71]

    Figure  26.  (a) Experimentally measured laser power and slope efficiency; (b) test results of spectra of different output laser powers[71]

    表  1  高功率连续波掺镱光纤激光器研究进展

    Table  1.   Recent advances in high power continuous-wave ytterbium-doped fiber lasers

    Type of fiber laserYearInstitutionPowerActive fiber parameterPumping method
    Monolithic fiber laser oscillator 2016 Fujikura, Japan 2 kW Aeff=400μm2, NA=0.07 915 nm bi-pump
    2016 NUDT, China 2 kW Dcore=21μm, NA=0.066 915 nm and 976 nm co-pump
    2016 NUDT, China 2.5 kW Dcore=20μm, NA=0.065 976 nm bi-pump
    2017 NUDT, China 1.969 kW Dcore=25μm, NA=0.09 976 nm bi-pump
    2017 NUDT, China 3.05 kW Dcore=20μm, NA=0.065 976 nm bi-pump
    2017 Fujikura, Japan 3 kW Aeff=400μm2, NA=0.07 915 nm bi-pump
    2018 NUDT, China 3.96 kW Dcore=25μm, NA=0.065 915 nm bi-pump
    2018 Fujikura, Japan 5 kW Aeff=600μm2 976 nm bi-pump
    2018 Jena, Germany 5 kW Dcore=20μm, NA=0.06 976 nm bi-pump
    2018 NUDT, China 5.2 kW Dcore=25μm, NA=0.065 915 nm bi-pump
    MOPA monolithic fiber laser 2015 NUDT, China 2.14 kW Dcore=30μm, NA=0.06 1018 nm co-pump
    2015 NUDT, China 3.15 kW Dcore=30μm 915 nm co-pump
    2016 HUST, China 3 kW Dcore=25μm, NA=0.06 976 nm bi-pump
    2016 XIOPM, China 3.5 kW Dcore=30μm, NA < 0.062 976 nm co-pump
    2016 Jena, Germany 4.3 kW Dcore=22μm, NA < 0.04 976 nm counter-pump
    2016 CAEP, China 5.07 kW Dcore=30μm, NA=0.066 976 nm bi-pump
    2017 XIOPM, China 4.62 kW Dcore=30μm, NA=0.06 976 nm co-pump
    2017 Tsinghua, China 3.12 kW Dcore=25μm, NA=0.06 976 nm bi-pump
    2017 TJU, Chia 8.05 kW Dcore=50μm, NA=0.06 976 nm co-pump
    2018 Tsinghua, China 6.02 kW Dcore=25μm, NA=0.06 976 nm bi-pump
    2018 CAEP, China 11.23 kW Dcore=30μm, NA=0.064 976 nm bi-pump
    2019 NUDT, China 4.2 kW Dcore=30μm 976 nm co-pump
    2019 SIOM, China 10.14 kW Dcore=30μm, NA=0.06 976 nm bi-pump
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出版历程
  • 收稿日期:  2019-10-24
  • 修回日期:  2019-11-21
  • 网络出版日期:  2020-06-29
  • 刊出日期:  2020-08-01

高功率连续波掺镱光纤激光器研究进展

doi: 10.37188/CO.2019-0208
    基金项目:  国家自然科学青年基金项目(No.11804264);陕西省自然科学基础研究计划资助项目(No.2019JQ-914);陕西省创新能力支撑计划项目(No.2019KRM093);陕西省教育厅专项科研计划项目(No.17JK0394、No.19JK0429)
    作者简介:

    党文佳(1983—),女,博士,讲师,陕西西安人,2015年于西安电子科技大学获得工学博士学位,主要从事光外差探测、光纤激光器及光电子技术方面的研究。E-mail:wenjia_dang@126.com

  • 中图分类号: O436

摘要: 高功率连续波掺镱光纤激光器因具有电光效率高、光束质量好、热管理方便等优点,在工业加工、军事国防、科学研究等领域得到广泛应用,但是高功率条件下的非线性效应和热效应限制了其输出功率的进一步提升。基于此,本文重点分析了受激拉曼散射非线性效应和热致模式不稳定现象的形成机理和抑制方法,为高功率光纤激光系统的设计与集成提供了参考,并详细介绍了2015年以来为克服两种因素的影响所取得的最新研究成果,最后展望了高功率连续波掺镱光纤激光器的发展趋势。

English Abstract

党文佳, 李哲, 李玉婷, 卢娜, 张蕾, 田晓, 杨慧慧. 高功率连续波掺镱光纤激光器研究进展[J]. 中国光学, 2020, 13(4): 676-694. doi: 10.37188/CO.2019-0208
引用本文: 党文佳, 李哲, 李玉婷, 卢娜, 张蕾, 田晓, 杨慧慧. 高功率连续波掺镱光纤激光器研究进展[J]. 中国光学, 2020, 13(4): 676-694. doi: 10.37188/CO.2019-0208
DANG Wen-jia, LI Zhe, LI Yu-ting, LU Na, ZHANG Lei, TIAN Xiao, YANG Hui-hui. Recent advances in high-power continuous-wave ytterbium-doped fiber lasers[J]. Chinese Optics, 2020, 13(4): 676-694. doi: 10.37188/CO.2019-0208
Citation: DANG Wen-jia, LI Zhe, LI Yu-ting, LU Na, ZHANG Lei, TIAN Xiao, YANG Hui-hui. Recent advances in high-power continuous-wave ytterbium-doped fiber lasers[J]. Chinese Optics, 2020, 13(4): 676-694. doi: 10.37188/CO.2019-0208
    • 不同于其他类型的激光器,光纤激光器以增益光纤作为增益介质,并利用光纤将光波导技术和包层泵浦技术结合起来,其实质上是一种将其他波长的激光转换为特定波长激光的换能器件,因其具有电光效率高、光束质量好、结构紧凑以及易于热管理等特性,逐渐成为工业加工、军事国防、科学研究等领域的主流光源。

      自1964年Snitzer等人首次在光纤中实现光放大以来[1],光纤激光技术已逐渐成为光学领域的研究热点。由于半导体泵浦源、光纤材料等基础技术发展缓慢,直到1999年光纤激光器输出功率才突破100 W[2],2004年,英国南安普顿大学的Jeong首次将单模连续激光的输出功率提升至1.36 kW[3]。从此,光纤激光器进入飞跃发展阶段,德国耶拿大学、美国JDSU公司及英国SPI公司等也相继实现了千瓦以上的激光功率输出[4-7]。美国IPG公司基于同带泵浦技术和分布式侧面耦合技术,在2009年和2012年分别实现单光纤单模9.6 kW和20 kW的光纤激光输出[8-9]。美国利弗莫尔实验室的J.W.Dawson[10]以及德国耶拿大学的Hans-Jürgen Otto等人[11]在不同条件下做了模拟计算,结果显示,单光纤掺镱光纤激光器所能达到的极限输出功率分别为36.6 kW和70 kW,目前其输出功率远远没有达到这一数值。

      近年来,得益于大模场面积(Large Mode Area, LMA)增益光纤技术、高亮度半导体泵浦源[12]和高功率泵浦耦合技术的进步,光纤激光器不断向着更大功率、更高光束质量的方向发展。在高功率运行条件下,光纤激光器出现的受激拉曼散射(Stimulated Raman Scattering, SRS)现象[13]、模式不稳定(Mode Instability, MI)[14]以及热损伤[15]等,目前仍是限制其输出功率进一步提升的主要因素。这些限制因素归根结底是由光纤激光器中超高的激光功率密度和大量沉积的热负荷造成的。光纤中传输的激光功率密度高且光纤材料与激光相互作用距离长,导致受激拉曼散射、受激布里渊散射等非线性相互作用显著增强;大量沉积的热负荷引起光纤折射率变化及光纤热应力,模式不稳定、热损伤等现象也随之出现。国内外相关研究单位针对这些当前制约功率定标放大的限制因素,内部从增益光纤设计、光纤激光器结构等方面,外部从减少量子亏损、泵浦调制等方面进行了大量的理论和实验研究,为实现更高功率的光纤激光输出提供了必要的技术支撑。本文系统梳理了高功率连续波掺镱光纤激光器的研究现状,分析了实现更高功率光纤激光输出的关键技术,并且在此基础上展望了光纤激光器的发展趋势。

    • 高功率掺镱光纤激光器中,硅基光纤本质上是非线性效应比较小的介质[16]。但是光纤纤芯面积小,光纤与激光相互作用距离长,光纤材料对高功率密度激光的响应就变成了非线性的。SRS是高功率光纤激光器中最主要的非线性效应,当功率超过阈值后部分激光功率转移到另一频率下移的激光波长中,从而降低了信号激光的功率和转换效率,并且后向传输的斯托克斯光会损坏系统中的光器件,严重影响光纤激光器的稳定性和可靠性[17-18]

      对于连续波掺镱光纤激光器,光纤纤芯中的斯托克斯光随光纤位置的变化可描述为:

      $$\frac{{d{I_s}}}{{d{\textit{z}}}}={g_R}\left( \varOmega \right){I_p}{I_s} - {\alpha _s}{I_s},$$ (1)

      式中,Ip是入射激光光强,Is是斯托克斯光光强,$g_R $(Ω)是拉曼增益系数,Ω=ωpωs为入射激光和斯托克斯光的频率差,αs为斯托克斯光在光纤中的损耗系数[19]。拉曼增益$g_R $(Ω)在40 THz的频率范围内连续分布,且在13 THz附近有一个较宽的峰,如图1所示[20]。在掺镱增益光纤中增益系数$g_R $约为1.06×10−13 m/W,此时的拉曼频移为13.4 THz。

      图  1  硅基光纤的拉曼增益谱[20]

      Figure 1.  Raman gain spectrum of silica fibers[20]

      光纤纤芯中的入射激光随光纤位置的变化可描述为:

      $$\frac{{d{I_p}}}{{d{\textit{z}}}}= - \frac{{{\omega _p}}}{{{\omega _s}}}{g_R}\left( \Omega \right){I_p}{I_s} - {\alpha _p}{I_p},$$ (2)

      式中,ωpωs分别为入射光和斯托克斯光的圆频率,αp为斯托克斯光在光纤中的损耗系数。

      联立式(1)、式(2),并假设拉曼增益谱为洛伦兹形的,可以得出连续波受激拉曼散射效应的阈值功率为:

      $${P_{th}}=\frac{{16{A_{\rm eff}}}}{{{g_R}\left( \Omega \right){L_{\rm eff}}}},$$ (3)

      式中,Aeff为光纤有效模场面积,Leff为有效光纤长度。当达到拉曼散射阈值后,入射激光功率迅速转移到斯托克斯光中。如果斯托克斯光的强度足够强,又会激发第二级斯托克斯光,甚至会产生3次或更高级次的斯托克斯光。根据SRS的形成机理及其阈值表达式,SRS的抑制方法主要有以下几种:

      (1)通过光纤结构设计增大光纤有效模场面积

      增加光纤有效模场面积是抑制受激拉曼散射的有效途径[21]。SRS阈值与光纤有效模场面积成正比,采用大模场面积光纤能够降低纤芯中入射激光的功率密度,从而提升SRS阈值[22]。目前获得大模场面积增益光纤的结构设计主要有:直接增大纤芯直径[23]、光子晶体光纤(Photonic Crystal Fiber, PCF)[24]、泄漏通道光纤(Leakage Channel Fiber, LCF)[25]、多沟道光纤(Multi Trench Fiber, MTF)[26]等。

      (2)减小光纤长度以缩短相互作用距离

      光纤激光器的SRS阈值与光纤有效长度成反比,SRS是入射激光在传输过程中与光纤相互作用时产生并放大的,较长的相互作用距离会显著增强SRS效应[27],一般可以通过提高增益光纤纤芯中稀土离子的掺杂浓度来达到减小光纤长度的目的。因此,在保证增益光纤对泵浦光充分吸收的同时尽可能地缩短光纤长度,可以使SRS光得不到有效放大,从而提升了SRS阈值。

      (3)利用光谱控制技术抑制受激拉曼散射效应

      光谱控制技术是在光谱层面对光纤激光的种子光谱和输出光谱进行控制的技术,主要包括光谱线宽控制[28-29]、光谱谱形控制[30]和拉曼光谱滤波[31-32]等。根据文献[28-32]中的理论仿真及实验研究,光谱控制技术能够有效减少SRS斯托克斯光的产生,并且大大降低斯托克斯光在放大过程中与信号激光的增益竞争,对SRS阈值具有明显的提升作用。

      (4)通过种子源参数控制抑制受激拉曼散射效应

      除以上几种抑制SRS的方法外,国内外科研人员还从其他多个方面研究了影响SRS阈值的因素,主要有种子激光注入功率控制[29, 33]、种子激光时域特性控制[34]以及其他类型种子光源的选择(如窄线宽超荧光光源[35])等。在光纤激光器定标放大的研究中,要综合考虑多种因素的影响,选择合适的光纤激光种子源结构和参数以达到抑制SRS的目的。

    • 高功率光纤激光器中的热效应是限制激光功率进一步提高的另一个重要因素[36]。在强泵浦条件下,光纤中积累的热量主要是由激光跃迁产生的量子亏损引起的[37],光纤温度随着泵浦功率的增加而不断升高。此外,光暗化效应[38]、能级间的无辐射跃迁和材料本身的损耗[39]进一步加剧了光纤热负荷。光纤中大量沉积的热量能引起光纤熔融、光热损伤[40]等物理层面的光纤结构破坏,同时光纤折射率也会随着温度的升高发生改变,从而导致热透镜效应[41]和热致双折射效应[15]的产生。另外,基模和高阶模在纤芯中相互干涉会引起泵浦光被周期性吸收,而量子亏损产热与泵浦光吸收有关,从而在纤芯中形成长周期热致折射率光栅,最终导致基模与高阶模之间相互耦合模式不稳定[42],如图2(彩图见期刊电子版)所示。

      图  2  热致折射率光栅的物理机制[42]

      Figure 2.  Physical mechanism of thermally induced grating[42]

      目前除了水冷、风冷等提高光纤热传导速率的强制冷却技术以外,光纤激光器热管理技术及由热负荷引起的其他效应的抑制技术主要有以下几种:

      (1)采用级联泵浦技术减小量子亏损

      量子亏损是光纤激光器中热负荷的主要来源,采用级联泵浦技术可以大大减少热量的产生。以波长为1080 nm的掺镱光纤激光器为例,采用976 nm的泵浦光对光纤激光器进行泵浦,量子亏损约为9.6%,即有9.6%的泵浦光转化成了热量;若采用波长为1018 nm的激光对光纤激光器进行泵浦,由于泵浦波长与输出激光波长比较接近,量子亏损仅为5.7%,大大减少了热量产生。同时,级联泵浦也能有效提高模式不稳定阈值[43]、减缓光暗化速率[44]

      (2)采用分布式侧面泵浦技术使光纤轴向温度分布均匀

      增益光纤中,温度场不均匀分布会产生热应力和热致折射率调制,严重时会损坏光纤[45],因此在减少产热的同时控制光纤轴向温度分布也是光纤激光器热管理的重点问题。采用分布式侧面泵浦技术能使增益光纤中的泵浦光均匀分布,同时保证增益光纤对泵浦光进行均衡吸收,避免了温度梯度的产生及光纤折射率调制,从而减少了模式不稳定现象的产生。

      (3)通过光纤结构设计抑制热致模式不稳定现象

      高功率光纤激光器广泛采用大纤芯直径的增益光纤作为增益介质,纤芯直径增大将导致光纤支持多个模式传输,有利于基模和高阶模互相耦合,所以仅支持基模传输的大模场光纤结构设计能够从根本上避免模式不稳定现象的出现。目前,主流的阶跃折射率增益光纤是通过降低数值孔径(Numerical Aperture, NA)来实现单模运转的[46],其他能够抑制高阶模的大模场光纤结构还有大间距微结构光纤(Large Pitch Fiber, LPF)[47]、手型螺旋芯光纤(Chirally Coupled Core Fiber, CCCF)[48]、光子晶体光纤(Photonic Crystal Fiber, PCF)[24]等。

    • 近年来,工业加工、军事国防、科学研究等应用领域对高功率、高光束质量激光光源的需求不断增加,高功率连续波掺镱光纤激光器得到快速发展,但是其功率提升仍受热致模式不稳定现象和受激拉曼散射非线性效应的制约。因此,本文从国内外对这两个主要制约因素的研究出发,介绍了2015年以来全光纤结构激光振荡器和主振荡功率放大(Master Oscillator Power Amplifier, MOPA)结构全光纤激光器的最新研究进展。

    • 2016年,日本Fujikura公司进行了大纤芯直径的光纤结构设计,纤芯中基模与高阶模具有不同的增益系数,能够在抑制SRS的同时保证单模激光输出。基于该增益光纤和915 nm半导体泵浦源(Laser Diode, LD)搭建了全光纤结构激光振荡器,实现了功率为2 kW、光束质量M2=1.2、斜率效率为70%的光纤激光输出[49]。2017年,该公司基于同样的振荡器结构并将后向泵浦功率比例提升至57%以进一步抑制SRS,获得了3 kW单模光纤激光输出[50]。2018年,该公司采用模场面积为600 μm2的大芯径增益光纤以及如图3(彩图见期刊电子版)所示的实验平台将输出功率提升至5 kW,并将SRS斯托克斯光强度控制到比信号光强度低45 dB[51],如图4(彩图见期刊电子版)所示。

      图  3  5 kW全光纤单模光纤激光器的示意图[51]

      Figure 3.  Schematic diagram of 5 kW all-fiber single mode fiber laser[51]

      图  4  5 kW全光纤激光器输出特性。(a)输出功率与光束质量;(b)输出光谱[51]

      Figure 4.  Output performance of 5 kW single mode all-fiber oscillator. (a) Output power and beam quality; (b) output spectrum of 5 kW fiber laser[51]

      2018年,德国耶拿大学采用20 m纤芯/包层直径为20/400 µm的增益光纤分别搭建了全光纤激光振荡器和MOPA结构光纤激光器,来对比两者在单模输出条件下的定标放大能力[52],如图5所示。光纤振荡器基于976 nm LD和双向泵浦结构获得波长为1070 nm、功率为5 kW的光纤激光输出,其中SRS功率占比为6.5%,如图6(彩图见期刊电子版)所示。在4.8 kW时测得光束质量M 2=1.3且没有监测到模式不稳定现象,但是四波混频效应导致其激光线宽展宽至20.6 nm@10 dB。

      图  5  (a)MOPA结构全光纤激光器结构示意图;(b)全光纤激光振荡器结构示意图[52]

      Figure 5.  (a) Schematical setup of the monolithic fiber amplifier; (b) schematical setup of the fiber oscillator[52]

      图  6  (a)全光纤激光振荡器效率;(b)全光纤激光振荡器光谱随功率变化[52]

      Figure 6.  (a) Efficiency of the fiber oscillator; (b) spectral evolution of the fiber oscillator with increasing power[52]

      2016年,国防科技大学的YANG B L等通过增大光纤有效模场面积、缩短光纤长度的方法来抑制SRS和MI,同时对比了915 nm与976 nm泵浦波长对全光纤激光振荡器输出特性的影响,最终基于单端泵浦结构获得2 kW的光纤激光输出[53]。2016年,他们采用双向泵浦结构将功率提升至2.5 kW,其中SRS斯托克斯光抑制比约为20 dB且无模式不稳定现象出现[54]。2017年,他们研究了不同泵浦结构对模式不稳定阈值的影响,通过优化正向与反向泵浦光比例获得了3.05 kW的输出功率[55]。2018年,采用纤芯/包层直径为25/400µm的增益光纤、自研光纤光栅、915 nm LD以及优化的双向泵浦结构,如图7所示,将输出功率定标放大至5.2 kW,其中SRS抑制比为22.3 dB,并且没有观察到模式不稳定现象,如图8所示。截至目前,在已有报道中该实验结果是全光纤激光振荡器输出功率的最高记录[56]

      2017年,国防科技大学的YING H Y等为缓解全光纤激光振荡器的增益光纤热效应和泵浦光滤除压力,自主研发了多级级联分布式侧面抽运的光纤振荡器结构,并基于该结构获得了1969 W的激光功率输出[57]。其谐振腔内包含三段增益光纤,前两段增益光纤采用双向泵浦方式,第三段采用反向泵浦方式,这样既分散了热积累又保证了泵浦光被充分吸收。2018年,他们采用4段均为双向泵浦的增益光纤搭建了全光纤激光振荡器,如图9所示,在泵浦功率为5.83 kW时得到3.96 kW的激光输出,SRS抑制比高达48 dB,如图10所示[58]。但是在实验过程中监测到了模式不稳定现象,限制了其功率的进一步提升。

      图  7  全光纤激光振荡器实验结构[56]

      Figure 7.  Experimental setup of the monolithic fiber laser oscillator[56]

      图  8  (a)输出功率及其斜率效率;(b)输出光谱;(c)5.2 kW的时域信号及其傅立叶光谱[56]

      Figure 8.  (a) Output power and corresponding optical effciency at different pump powers; (b) optical spectrum of the output laser; (c) time domain signal and its Fourier spectrum at an output power of 5.2 kW[56]

      图  9  全光纤激光振荡器实验结构[58]

      Figure 9.  Experimental setup of the monolithic fiber laser oscillator[58]

      图  10  (a)全光纤激光振荡器的斜率效率;(b)不同功率时的输出光谱[58]

      Figure 10.  (a) Slope efficiency of the monolithic fiber laser oscillator; (b) optical spectra at different output powers[58]

    • 相比于全光纤激光振荡器,MOPA结构全光纤激光器更容易实现高功率输出,但在光束质量、稳定性等方面与前者相比略有劣势。2012年,美国IPG公司采用MOPA结构已实现单光纤20 kW的激光输出[9]。近几年,中国科学院西安光学精密机械研究所、中国工程物理研究院、国防科技大学、清华大学、天津大学等国内单位逐渐加大研究投入,在输出功率水平上也实现了从千瓦到万瓦的突破。

      2016年,德国耶拿大学的KUHN S等为抑制模式不稳定并获得单模激光输出,设计了大模场增益光纤及与之相匹配的传能光纤,如图11(a)所示,增益光纤纤芯/包层直径为22/450 µm、纤芯数值孔径NA < 0.04,较小的数值孔径能够增加高阶模损耗并保证只有基模在光纤中传输。实验采用波长为1067 nm的光纤耦合输出的外腔半导体激光器作为种子光源,并采用976 nm LD对光纤激光放大器进行泵浦。光纤激光放大器最终的输出功率为4.3 kW,光束质量为$M_x^2 $=1.27、$M_y^2 $=1.21,如图11(b)11(c)所示,且在最高功率时没有观察到模式不稳定现象[59]

      图  11  (a)增益光纤与传输光纤的折射率分布;(b)激光器功率及斜率效率;(c)光束质量[59]

      Figure 11.  (a) Refractive index profiles of a matched passive-active fiber couple; (b) slope efficiency of the laser power; (c) corresponding beam M 2 measurement[59]

      图  12  全光纤激光器和输出特性测试系统示意图[60]

      Figure 12.  Schematic diagram of the all-fiber-integrated fiber laser and the measuring system

      2015年,国防科技大学的YU H L等采用26 m纤芯/包层直径为30/400 μm的大模场增益光纤来抑制SRS,并基于MOPA结构将100 W种子激光放大至3.15 kW[60],如图12所示。光纤激光系统选用915 nm LD作为泵浦源,增益光纤对915 nm泵浦光的吸收比976 nm泵浦光更为平缓,光纤轴向热分布也更均匀。同年,他们采用1018 nm光纤激光器作为泵浦源对1090 nm光纤激光器进行级联泵浦,获得输出功率为2140 W、斜率效率为86.9%、光束质量M2=1.9的光纤激光输出[61]。2019年,他们又基于级联泵浦方式和拉曼光谱滤波技术,在光纤激光振荡器和放大器之间加入两个啁啾-倾斜布拉格光纤光栅(Chirped and Tilted Fiber Bragg Grating, CTFBG)来滤除SRS斯托克斯光,如图13所示,并且对比了不使用CTFBG、使用一个CTFBG以及使用两个CTFBG对SRS的抑制效果。在使用两个CTFBG的条件下,光纤激光器输出功率达到4.2 kW,SRS抑制比大于15 dB,如图14(彩图见期刊电子版)所示[62]。该实验验证了级联泵浦技术和拉曼光谱滤波技术在提升光纤激光输出功率、抑制SRS和控制光纤温度分布等方面的可行性。

      图  13  级联泵浦光纤激光器中抑制SRS的实验结构示意图[62]

      Figure 13.  Schematic of experimental configuration for the suppression of SRS in a tandem pumping fiber amplifier[62]

      图  14  输出光谱随泵浦功率的变化。(a)不使用CTFBG;(b)使用一个CTFBG;(c)使用两个CTFBG[62]

      Figure 14.  Changing spectra of output as the pump power increases (a) without and (b) with a CTFBG and (c) with two CTFBGs inserted[62]

      2016年,华中科技大学的WANG J M等人在研究高功率光纤激光放大特性时发现SRS阈值反比于种子激光注入功率。在优化了种子激光注入功率和放大器增益光纤长度后,获得功率为3 kW、斜率效率为84.4%、光束质量为M 2=1.28的光纤激光输出,并且最高功率时在输出光谱中没有监测到SRS,如图15所示[63]

      2016年,中国科学院西安光学精密机械研究所的HOU CH Q等人基于螯合物气相沉积技术研制出纤芯/内包层直径为30/600 μm的大模场增益光纤,同时优化光纤材料组分将数值孔径控制在0.057~0.062。在此基础上,他们基于该大模场增益光纤和自研的高功率泵浦耦合器搭建了MOPA结构全光纤激光系统,获得了功率为3592 W、斜率效率为72.5%的光纤激光输出[64]。2017年,他们通过进一步调整光纤材料组分的比例以及优化光纤拉制技术,研制出掺杂离子分布均匀、几何参数更加一致的低损耗大模场增益光纤。然后,搭建了MOPA光纤激光系统对增益光纤性能进行了测试,如图16所示,实现了功率为4.62 kW、斜率效率为80.3%、波长为1080 nm的光纤激光输出,在最高输出功率时增益光纤温度控制在40 ℃以下,同时将SRS斯托克斯光占比控制在0.45%,如图17(彩图见期刊电子版)所示[65]

      图  15  (a)在合适的种子功率注入条件下的全光纤放大器斜率效率;(b)全光纤放大器在最大输出功率时的输出光谱[63]

      Figure 15.  (a) Slope efficiency of the all-fiber amplifier with a suitable seed power injected; (b) spectra of the all-fiber amplifier signal beam at the maximum output power[63]

      图  16  用于增益光纤性能测试的MOPA光纤激光系统[65]

      Figure 16.  MOPA configuration for fiber performance test[65]

      图  17  (a)Yb/Ce共掺光纤放大器的输出功率随泵浦功率的变化;(b)增益光纤在4.62 kW时的热像图;(c)激光光谱[65]

      Figure 17.  (a) Output power of the Yb/Ce co-doped fiber power amplifier varying with the increase of pump power; (b) thermal image of the active fiber at 4.62 kW; (c) laser spectrum[65]

      2016年,中国工程物理研究院研制出一种包含一根增益光纤和多根泵浦光纤的泵浦增益一体化复合功能激光光纤(GTWave光纤),其原理是利用倏逝波耦合效应实现泵浦光对增益光纤的侧面均匀泵浦,GTWave光纤结构如图18所示。他们基于GTWave光纤搭建了双向泵浦的MOPA结构光纤激光系统,最终获得功率为5.07 kW、斜率效率为71.5%的激光输出,其中SRS抑制比达到15.6 dB[66]。2018年,他们将泵浦光纤数量增加至8根拉制出(8+1)型GTWave光纤,并基于此光纤进行了高功率光纤激光系统集成,如图19所示,实现了最高功率为11.23 kW的激光输出,并能够在10.45 kW功率水平下稳定工作,但是在其输出光谱中监测到了SRS信号,如图20所示[67]

      图  18  (3+1)型GT-Wave光纤结构示意图。(a)横截面;(b)侧面视图[66]

      Figure 18.  Schematic diagram of (3+1) GT-Wave fiber. (a) Cross-section; (b) side-view[66]

      图  19  (8+1)型GT-wave光纤激光放大器实验系统[67]

      Figure 19.  Experimental setup of (8+1) GT-Wave fiber amplifier system[67]

      图  20  (8+1)型GT-wave光纤激光放大器输出功率和输出光谱[67]

      Figure 20.  Laser output power and output spectrum of (8+1) GT-Wave fiber[67]

      2017年,清华大学的YAN P等人采用双向泵浦方式来抑制SRS和热效应。由于光纤放大器泵浦源的输出波长不稳定,他们研究了随着泵浦功率升高时不同长度的增益光纤对泵浦光的吸收情况。光纤放大器采用25 m纤芯/包层直径为25/400 μm的增益光纤以及非波长锁定的975 nm LD,获得了功率为3.12 kW、斜率效率为81.4%、波长为1080 nm以及光束质量M 2=1.58的光纤激光输出,特别地,光纤激光器连续运行了2个小时,功率波动小于0.6%[68]。2018年,他们将种子激光波长更换为1070 nm来降低量子亏损和减少热量产生,并基于自研的泵浦耦合器进一步增加了泵浦光注入功率,光纤激光器结构如图21所示,在总泵浦功率为7.64 kW时获得6.02 kW的光纤激光输出,并且在输出光谱中没有监测到1123 nm的SRS光谱,输出功率及输出光谱如图22(彩图见期刊电子版)所示[69]

      图  21  6 kW双向泵浦的MOPA结构全光纤激光器结构示意图[69]

      Figure 21.  Schematic of all-fiber 6 kW bidirectional pumping MOPA laser[69]

      图  22  (a)系统输出功率随泵浦功率的变化;(b)光纤放大器的输出出光谱[69]

      Figure 22.  (a) Output power of the system versus the total pumping power; (b) spectrum of output laser from the fiber laser amplifier[69]

      2017年,天津大学的FANG Q等人分别采用纤芯直径为30 μm和50 μm的掺镱增益光纤作为光纤放大器的增益介质对比了两者的定标放大能力[70],由其组成的光纤激光器结构如图23所示。他们分别获得5.01 kW和8.05 kW的输出功率,如图24(a)24(c)所示。增大纤芯直径能够降低纤芯内激光功率密度、提升非线性效应阈值,所以前者在5 kW时观察到了四波混频(Four Wave Mixing, FWM)和微弱的SRS光谱,而后者在8 kW时却无SRS、FWM等非线性效应出现,如图24(b)24(d)所示。但是增大纤芯直径会支持多个模式传输并影响光束质量,造成前者在最高功率时的光束质量仅为M 2 < 1.8,而后者在最高功率时的光束质量劣化为M 2=4。

      2019年,中国科学院上海光学精密机械研究所的陈晓龙等基于Al-P-Si三元光纤材料组分减小了镱离子的团簇效应,拉制出光暗化抑制和高发光效率的增益光纤,并采用自研光纤器件搭建了全光纤激光实验平台,如图25所示,在总泵浦功率为11359 W时获得10.14 kW的光纤激光输出,光纤放大器的斜率效率高达89.2%,并在激光器运行期间没有监测到SRS及模式不稳定现象,如图26(彩图见期刊电子版)所示[71]

      最后,将2015年以来全光纤激光振荡器和MOPA结构全光纤激光器的研究成果在表1中进行详细汇总。可以看出经过科研人员多年的努力,国内掺镱光纤激光器的输出功率已达到万瓦水平并向着更高功率水平迈进。

      图  23  (a)5 kW和(b)8 kW连续波全光纤激光器结构示意图[70]

      Figure 23.  Schematic configurations of the 5 kW (a) and 8 kW (b) CW monolithic fiber laser[70]

      图  24  (a)5 kW光纤激光器输出功率;(b)5 kW光纤激光器输出光谱;(c)8 kW光纤激光器输出功率;(d)8 kW光纤激光器输出光谱[70]

      Figure 24.  (a) Output power of the 5 kW fiber laser; (b) output spectrum of the 5 kW fiber laser; (c) output power of the 8 kW fiber laser; (d) output spectrum of the 8 kW fiber laser[70]

      图  25  激光实验装置示意图[71]

      Figure 25.  Experimental setup of the laser system[71]

      图  26  (a)激光功率和斜率效率曲线;(b)不同功率光谱测试结果[71]

      Figure 26.  (a) Experimentally measured laser power and slope efficiency; (b) test results of spectra of different output laser powers[71]

      表 1  高功率连续波掺镱光纤激光器研究进展

      Table 1.  Recent advances in high power continuous-wave ytterbium-doped fiber lasers

      Type of fiber laserYearInstitutionPowerActive fiber parameterPumping method
      Monolithic fiber laser oscillator 2016 Fujikura, Japan 2 kW Aeff=400μm2, NA=0.07 915 nm bi-pump
      2016 NUDT, China 2 kW Dcore=21μm, NA=0.066 915 nm and 976 nm co-pump
      2016 NUDT, China 2.5 kW Dcore=20μm, NA=0.065 976 nm bi-pump
      2017 NUDT, China 1.969 kW Dcore=25μm, NA=0.09 976 nm bi-pump
      2017 NUDT, China 3.05 kW Dcore=20μm, NA=0.065 976 nm bi-pump
      2017 Fujikura, Japan 3 kW Aeff=400μm2, NA=0.07 915 nm bi-pump
      2018 NUDT, China 3.96 kW Dcore=25μm, NA=0.065 915 nm bi-pump
      2018 Fujikura, Japan 5 kW Aeff=600μm2 976 nm bi-pump
      2018 Jena, Germany 5 kW Dcore=20μm, NA=0.06 976 nm bi-pump
      2018 NUDT, China 5.2 kW Dcore=25μm, NA=0.065 915 nm bi-pump
      MOPA monolithic fiber laser 2015 NUDT, China 2.14 kW Dcore=30μm, NA=0.06 1018 nm co-pump
      2015 NUDT, China 3.15 kW Dcore=30μm 915 nm co-pump
      2016 HUST, China 3 kW Dcore=25μm, NA=0.06 976 nm bi-pump
      2016 XIOPM, China 3.5 kW Dcore=30μm, NA < 0.062 976 nm co-pump
      2016 Jena, Germany 4.3 kW Dcore=22μm, NA < 0.04 976 nm counter-pump
      2016 CAEP, China 5.07 kW Dcore=30μm, NA=0.066 976 nm bi-pump
      2017 XIOPM, China 4.62 kW Dcore=30μm, NA=0.06 976 nm co-pump
      2017 Tsinghua, China 3.12 kW Dcore=25μm, NA=0.06 976 nm bi-pump
      2017 TJU, Chia 8.05 kW Dcore=50μm, NA=0.06 976 nm co-pump
      2018 Tsinghua, China 6.02 kW Dcore=25μm, NA=0.06 976 nm bi-pump
      2018 CAEP, China 11.23 kW Dcore=30μm, NA=0.064 976 nm bi-pump
      2019 NUDT, China 4.2 kW Dcore=30μm 976 nm co-pump
      2019 SIOM, China 10.14 kW Dcore=30μm, NA=0.06 976 nm bi-pump
    • 受激拉曼散射效应和模式不稳定现象是当前连续波掺镱光纤激光器功率提升的主要限制因素。通过本文的研究进展综述可知:通过选用大模场增益光纤、选用时域稳定的种子源、拉曼光谱滤波、减小增益光纤长度以及优化泵浦参数及采用反向泵浦等途径能够有效提高非线性效应的阈值;通过降低量子亏损、减小光子暗化以及优化光纤温度分布等来实现光纤激光器高效的热管理,具体措施如级联泵浦、侧面均匀泵浦和优化光纤材料组分等。另外,在进行非线性抑制、热管理的过程中增大纤芯直径会使光纤支持更多高阶模式,优化光纤及系统结构会影响激光器的波导结构,两者均可能使光束质量劣化,因此在定标放大时特别需要对光纤激光器进行模式控制及光束质量优化处理。

      随着光纤激光放大技术研究的不断深入,研究人员发现光纤激光器在高功率条件下各种现象表现出了复杂的相关性,如光暗化效应降低模式不稳定阈值[72]、受激拉曼散射与模式不稳定现象相互影响[73]等。因此,未来在进行光纤激光系统设计与集成时,要综合考虑光纤材料、光纤波导结构、激光系统结构参数、非线性效应以及热管理等因素,保证其在高功率条件下运行时的稳定性和可靠性。

      目前,在提升单个光纤激光器输出功率的同时,国内外多家单位已开展相干合成、直接功率合成、光谱合成等多种类型的激光合束技术研究,例如洛克希德·马丁公司通过光谱组束技术将96路光纤激光合成为一束30 kW的激光输出[74],美国IPG公司采用激光合束器将90路1.2 kW的光纤激光合成到101.3 kW[75],中国科学院上海光学精密机械研究所基于光谱组束技术获得11.27 kW的光纤激光合成功率[76]。所以,在保证光束质量的前提下,通过合束技术将多路激光进行合成也成为未来获得数百千瓦甚至更高激光功率的可行途径。

参考文献 (76)

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