級(jí)聯(lián)泵浦高功率摻鐿光纖激光器：進(jìn)展與展望

　　高功率摻鐿光纖激光器具有轉(zhuǎn)換效率高、輸出亮度高、結(jié)構(gòu)緊湊靈活、熱管理簡(jiǎn)單、系統(tǒng)穩(wěn)定可靠等優(yōu)勢(shì)，已成為眾多高功率激光系統(tǒng)優(yōu)選光源之一，在工業(yè)、醫(yī)療、科研、**等方面獲得了越來(lái)越廣泛的應(yīng)用。

　　高功率光纖激光器技術(shù)是當(dāng)今世界科技強(qiáng)國(guó)競(jìng)相發(fā)展的重要技術(shù)之一，而其泵浦方案更是高功率光纖激光領(lǐng)域重要的研究熱點(diǎn)。目前泵浦方案分為直接泵浦(direct pumping)和級(jí)聯(lián)泵浦(tandem pumping)兩類。級(jí)聯(lián)泵浦指用激光泵浦激光，即激光在光光轉(zhuǎn)化過(guò)程中的多次級(jí)聯(lián)(圖1)。直接泵浦則指整個(gè)系統(tǒng)僅有一次主要的光光轉(zhuǎn)化過(guò)程，直接由泵浦光產(chǎn)生最終輸出的激光。

　　圖1 級(jí)聯(lián)泵浦高功率摻鐿光纖激光器原理圖

　　對(duì)于摻鐿光纖激光器，直接泵浦常用波長(zhǎng)在915 nm或976 nm附近的半導(dǎo)體激光器作為泵浦光源;而級(jí)聯(lián)泵浦則常用波長(zhǎng)在1000 nm以上的光纖激光器作為泵浦光源。

　　級(jí)聯(lián)泵浦分散了整個(gè)激光轉(zhuǎn)換過(guò)程中的量子虧損，因而系統(tǒng)具有低熱負(fù)載的特點(diǎn)，有利于產(chǎn)生更高功率的光纖激光。目前，級(jí)聯(lián)泵浦已應(yīng)用于傳統(tǒng)波長(zhǎng)的摻鐿光纖激光、隨機(jī)激光、拉曼激光等各類光纖激光系統(tǒng)中，獲得了突出的性能表現(xiàn)，發(fā)掘出了高功率摻鐿光纖激光的巨大潛力。

　　清華大學(xué)高功率光纖激光研究團(tuán)隊(duì)肖起榕副教授和閆平教授等人針對(duì)級(jí)聯(lián)泵浦的高功率摻鐿光纖激光器技術(shù)進(jìn)展進(jìn)行了總結(jié)和展望。

　　關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)展

　　1、級(jí)聯(lián)泵浦用高功率1018 nm光纖激光器進(jìn)展

　　高功率1018 nm光纖激光器是用于級(jí)聯(lián)泵浦摻鐿光纖激光器的主流光源，這一泵浦波長(zhǎng)權(quán)衡了技術(shù)難度與泵浦效益兩方面的需求。

　　目前的高功率1018 nm光纖激光器主要關(guān)注的性能指標(biāo)有功率、亮度(對(duì)光束質(zhì)量和功率的整體評(píng)價(jià))、ASE抑制比等，其中更加重視亮度的提升。這是因?yàn)楸闷肿⑷牍饫w的能力逐漸成為瓶頸因素，而1018 nm光纖激光的亮度提升使得更多的泵浦光能夠注入更細(xì)的增益光纖，甚至允許高功率纖芯泵浦，其綜合效益超過(guò)單純?cè)黾颖闷止β省?/p>

　　早期，1018 nm光纖激光器的實(shí)際亮度水平均在80 W/(μm2﹒sr)以下，ASE與信號(hào)強(qiáng)度差值僅為30～40 dB。2015年，亮度提升至130～170 W/(μm2﹒sr)。

　　本文作者團(tuán)隊(duì)先后于2017年和2018年將輸出功率提升至805 W和1150 W，亮度達(dá)到240 W/(μm2﹒sr)和289 W/(μm2﹒sr)，且光光效率可達(dá)82.9%(圖2)。

　　2020年，美國(guó)IPG公司報(bào)道了1300 W輸出功率，亮度達(dá)到1100 W/(μm2﹒sr)，充分說(shuō)明1018 nm光纖激光器的性能已經(jīng)得到極大的提升。

　　圖2 高功率1018 nm光纖激光器。(a)用非鎖波長(zhǎng)LD泵浦30/250 μm光纖實(shí)現(xiàn)805 W、240 W/(μm2﹒sr)輸出;(b)雙向泵浦30/250 μm光纖實(shí)現(xiàn)1150 W、289 W/(μm2﹒sr)輸出

　　1018 nm光纖激光器的性能提升限制因素主要是放大自發(fā)輻射(ASE)效應(yīng)。傳統(tǒng)技術(shù)主要從削減增益光纖長(zhǎng)度、提升芯包比兩個(gè)角度進(jìn)行優(yōu)化。

　　本文作者團(tuán)隊(duì)通過(guò)抑制光纖內(nèi)反射造成的ASE反饋機(jī)制，在500 W輸出功率下達(dá)到了53 dB的ASE抑制比與86.5%的的光光效率[圖3(c)]，實(shí)現(xiàn)了良好的ASE抑制效果。通過(guò)創(chuàng)新激光增益構(gòu)型設(shè)計(jì)，獲得了比傳統(tǒng)構(gòu)型60%的亮度提升[圖3(d)]。

　　圖3 抑制ASE和寄生振蕩的方法。(a)環(huán)形摻雜光纖;(b)光纖橫截面折射率分布;(c)ASE的光纖內(nèi)后向反饋機(jī)制、抑制后向光內(nèi)反射的裝置以及實(shí)施效果;(d)混合結(jié)構(gòu)與傳統(tǒng)振蕩器結(jié)構(gòu)的概念對(duì)比以及控制變量實(shí)驗(yàn)效果對(duì)比

　　2、級(jí)聯(lián)泵浦高功率摻鐿雙包層光纖激光器

　　對(duì)于固定波長(zhǎng)的摻鐿雙包層光纖激光器，用1018 nm泵浦的常見(jiàn)輸出波長(zhǎng)大約在1050 nm至1100 nm之間。自美國(guó)IPG公司2009年公開(kāi)報(bào)道其萬(wàn)瓦激光產(chǎn)品以來(lái)，以1018 nm泵浦的高功率光纖激光報(bào)道逐漸增多，并且近年來(lái)國(guó)內(nèi)報(bào)道功率呈態(tài)勢(shì)。

　　級(jí)聯(lián)泵浦的應(yīng)用大幅提升了光纖激光器的功率和亮度水平。除了備受關(guān)注的極低的分布熱負(fù)載優(yōu)勢(shì)之外，高功率1018 nm光纖激光器還帶給級(jí)聯(lián)泵浦系統(tǒng)兩個(gè)主要的影響：

　　一方面，由于鐿離子對(duì)1018 nm激光的吸收系數(shù)較小，級(jí)聯(lián)泵浦系統(tǒng)的摻鐿光纖通常都比較長(zhǎng)，這降低了非線性效應(yīng)(如SRS等)以及ASE致寄生振蕩的閾值。

　　但是另一方面，高功率1018 nm光纖激光器帶來(lái)了明顯的泵浦亮度提升，增益光纖可以采用許多在直接泵浦配置下難以實(shí)現(xiàn)的創(chuàng)新設(shè)計(jì)，如直徑更小的包層結(jié)構(gòu)、新的泵浦耦合方式等，這不僅可以補(bǔ)償吸收系數(shù)的劣勢(shì)，還更有可能獲得突破性的性能提升。

　　1018 nm級(jí)聯(lián)泵浦的光纖激光器的主要限制因素之一是受激拉曼散射(SRS)效應(yīng)。本文作者團(tuán)隊(duì)于2018年和2019年相繼報(bào)道了1080 nm處5448 W[圖4(a)]和1070 nm處5220 W[圖4(b)]功率輸出。

　　2019年，國(guó)防科技大學(xué)團(tuán)隊(duì)報(bào)道了使用啁啾傾斜光柵抑制SRS效應(yīng)，在1080 nm中心波長(zhǎng)功率達(dá)到4.2 kW時(shí)，M2可達(dá)1.8.通過(guò)插入啁啾傾斜光柵獲得大于15 dB的SRS抑制，最終輸出中心波長(zhǎng)與SRS的信噪比提升至30 dB[圖4(c)]。

　　圖4 1018 nm光纖激光級(jí)聯(lián)泵浦的高功率摻鐿雙包層光纖激光器(I)。(a)用30/250-μm摻鐿雙包層光纖實(shí)現(xiàn)5448 W的1080 nm輸出;(b)國(guó)產(chǎn)30/250-μm 摻鐿雙包層光纖實(shí)現(xiàn)5220 W的1070 nm輸出;(c)國(guó)防科技大學(xué)團(tuán)隊(duì)用啁啾傾斜光柵實(shí)現(xiàn)4.2 kW的1080 nm輸出

　　級(jí)聯(lián)泵浦高功率光纖激光器的增益光纖國(guó)產(chǎn)化進(jìn)展喜人。2020年，中國(guó)工程物理研究院團(tuán)隊(duì)制備的50/400 μm國(guó)產(chǎn)摻鐿雙包層光纖實(shí)現(xiàn)了1018 nm級(jí)聯(lián)泵浦下9.82 kW功率輸出。

　　同年，本文作者團(tuán)隊(duì)采用中國(guó)科學(xué)院上海光機(jī)所制備的國(guó)產(chǎn)50/350/400 μm 摻鐿三包層光纖實(shí)現(xiàn)了1018 nm級(jí)聯(lián)泵浦下的9.01 kW功率輸出，斜率效率達(dá)80.5%[圖5(a)];采用中國(guó)電子科技集團(tuán)公司第四十六研究所制備的國(guó)產(chǎn)摻鐿雙包層光纖，實(shí)現(xiàn)了13.9 kW激光輸出，斜率效率87.0%;采用中國(guó)工程物理研究院化學(xué)材料所高功率光纖激光所地聯(lián)合創(chuàng)新中心制備的國(guó)產(chǎn)摻鐿雙包層光纖，相繼實(shí)現(xiàn)了10 kW和20 kW激光輸出，斜率效率均大于83%[圖5(b)]。

　　圖5 1018 nm光纖激光級(jí)聯(lián)泵浦的高功率摻鐿雙包層光纖激光器(II)。(a)國(guó)產(chǎn)50/350/400 μm 摻鐿三包層光纖實(shí)現(xiàn)9.01 kW的1080 nm輸出;(b)國(guó)產(chǎn)摻鐿雙包層光纖實(shí)現(xiàn)20 kW輸出文

　　3、級(jí)聯(lián)泵浦高功率隨機(jī)光纖激光器

　　抑制功率提升過(guò)程中的光譜亮度劣化，是高功率光纖激光器的重要研究目標(biāo)。

　　級(jí)聯(lián)泵浦的高功率隨機(jī)光纖激光器依靠增益介質(zhì)(光纖)內(nèi)的隨機(jī)散射來(lái)提供諧振反饋，使得輸出光具有時(shí)域穩(wěn)定性和光譜不展寬(少展寬)等優(yōu)勢(shì)。相比其他類型的隨機(jī)激光器，隨機(jī)光纖激光利用光纖波導(dǎo)的一維方向性，將隨機(jī)反饋的方向限定在很窄的空間角度內(nèi)，從而極大降低激光輸出閾值，并有的光束質(zhì)量。

　　2017年的隨機(jī)光纖激光器功率水平在1 kW左右;采用級(jí)聯(lián)泵浦MOPA結(jié)構(gòu)放大是進(jìn)一步提高隨機(jī)光纖激光輸出功率的有效途徑。

　　國(guó)防科技大學(xué)團(tuán)隊(duì)2019年報(bào)道了三級(jí)放大的1080 nm處3.03 kW隨機(jī)光纖激光器，3 dB帶寬為2.88 nm[圖6(a)]。

　　同年，本文作者團(tuán)隊(duì)用1018 nm光纖激光器纖芯泵浦的隨機(jī)光纖激光振蕩器作為種子源，經(jīng)兩級(jí)放大后獲得了1064 nm處4020 W的隨機(jī)激光輸出，光光效率達(dá)88.5%，3 dB帶寬始終維持在1 nm以內(nèi)[圖6(b)]。

　　圖6 級(jí)聯(lián)泵浦高功率隨機(jī)光纖激光器。(a)3 kW系統(tǒng)的隨機(jī)光纖種子與三級(jí)放大實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖，以及相應(yīng)光譜演化;(b)4 kW系統(tǒng)的隨機(jī)光纖種子與兩級(jí)放大實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖，以及相應(yīng)光譜演化

　　抑制放大級(jí)中SRS效應(yīng)是級(jí)聯(lián)泵浦隨機(jī)光纖激光器功率提升亟待解決的問(wèn)題。

　　2021年，本文作者團(tuán)隊(duì)報(bào)道了使用帶通濾波器過(guò)濾種子光源譜域外自發(fā)輻射噪聲的級(jí)聯(lián)泵浦隨機(jī)光纖激光器，1070 nm處最高輸出功率達(dá)5.1 kW，光光效率為89.0%，拉曼抑制比可達(dá)27 dB。對(duì)比實(shí)驗(yàn)表明，拉曼抑制比提高了16 dB(圖7)，表明譜域外噪聲濾波的方案有效抑制了級(jí)聯(lián)泵浦的隨機(jī)光纖激光器中的SRS效應(yīng)。

　　圖7 用帶通濾波器抑制SRS的級(jí)聯(lián)泵浦5 kW隨機(jī)光纖激光器系統(tǒng)結(jié)構(gòu)、功率、線寬和光譜演化

　　4、級(jí)聯(lián)泵浦高功率拉曼光纖激光器

　　為了滿足摻鐿光纖激光器在遠(yuǎn)距離遙感、光譜合成等領(lǐng)域的應(yīng)用，迫切需要拓寬其輸出波長(zhǎng)范圍。

　　高功率拉曼光纖激光器利用增益介質(zhì)(光纖)中的SRS效應(yīng)，使高功率密度的激光波長(zhǎng)發(fā)生SRS頻移;通過(guò)級(jí)聯(lián)SRS增益，輸出波長(zhǎng)范圍可拓展至1.2 μm以上。因?yàn)樽饔媒橘|(zhì)(光纖)長(zhǎng)度越長(zhǎng)，SRS發(fā)生的閾值越低，級(jí)聯(lián)泵浦為充分吸收泵浦光所需的較長(zhǎng)增益光纖長(zhǎng)度恰好為拉曼增益提供了良好的條件，因此級(jí)聯(lián)泵浦也是產(chǎn)生高功率拉曼光纖激光的優(yōu)選方案。

　　拉曼增益需要高光譜功率密度和高空間亮度的激光作為泵浦。2020年，國(guó)防科技大學(xué)團(tuán)隊(duì)報(bào)道了基于特制的31/55.55/360 μm三包層光纖包層泵浦拉曼放大器，該光纖內(nèi)包層面積與纖芯面積之比低至3.2.其泵浦源為1080 nm光纖激光器，在2365 W的泵浦功率下，最終輸出激光功率為1925.8 W，其中纖芯中1130 nm拉曼激光功率為762.6 W，轉(zhuǎn)換效率為31.5%。

　　混合增益可以提高拉曼光轉(zhuǎn)化效率?；旌显鲆媸侵冈谕欢喂饫w中，既進(jìn)行著SRS增益過(guò)程，還進(jìn)行著稀土離子轉(zhuǎn)換激光增益過(guò)程。調(diào)整拉曼增益與鐿離子增益的比例(調(diào)整對(duì)應(yīng)的光纖長(zhǎng)度)，就可調(diào)節(jié)拉曼波長(zhǎng)及其它輸出特性。

　　2016年，本文作者團(tuán)隊(duì)用雙向LD直接泵浦，在1122.8 nm處混合增益輸出功率為3.89 kW，光光效率為70.9%，3 dB帶寬為10.6 nm，該功率為當(dāng)時(shí)已報(bào)道的最高輸出功率(圖8)。

　　圖8 雙向LD泵浦MOPA結(jié)構(gòu)3.89 kW混合增益拉曼光纖激光器示意圖、功率及光譜

　　2019年，作者團(tuán)隊(duì)進(jìn)一步報(bào)道了正向1018 nm光纖激光器級(jí)聯(lián)泵浦與后向976 nm LD直接泵浦的混合泵浦混合增益拉曼激光，總輸出功率為4290 W，1121.9 nm處拉曼激光功率為3700 W，3 dB帶寬為5.2 nm[圖9(a)]。此外，還通過(guò)級(jí)聯(lián)拉曼進(jìn)一步實(shí)現(xiàn)了1500 W的1187 nm拉曼光纖激光輸出。

　　圖9 級(jí)聯(lián)泵浦高功率拉曼光纖激光器。(a)1018 nm和LD混合雙向泵浦3.7 kW混合增益拉曼光纖激光器示意圖、功率和光譜;(b)1018 nm級(jí)聯(lián)泵浦5 kW混合增益拉曼光纖激光器結(jié)構(gòu)、功率和光譜

　　為了獲得充足的級(jí)聯(lián)拉曼增益而延長(zhǎng)摻鐿光纖長(zhǎng)度，恰好能適應(yīng)1018 nm級(jí)聯(lián)泵浦吸收系數(shù)較小的特點(diǎn)。

　　2020年，國(guó)防科技大學(xué)團(tuán)隊(duì)報(bào)道了1018 nm級(jí)聯(lián)泵浦的混合增益拉曼光纖激光器，1150 nm處輸出功率達(dá)1338 W。

　　同年，本文作者團(tuán)隊(duì)基于多波長(zhǎng)主振蕩器，以1018 nm級(jí)聯(lián)泵浦混合增益實(shí)現(xiàn)高功率拉曼光纖激光輸出，泵浦功率為6720 W，拉曼波段輸出功率占比5172 W，光光效率為76.9%[圖9(b)]。

　　結(jié)論與展望

　　1、在提升功率和空間亮度方面，用以1018 nm為代表的高功率短波長(zhǎng)光纖激光源進(jìn)行級(jí)聯(lián)泵浦成效優(yōu)異。

　　級(jí)聯(lián)泵浦的高泵浦亮度提供了靈活的系統(tǒng)設(shè)計(jì)空間。然而，要獲得高亮度1018 nm光纖激光，同樣需要從光纖、器件和系統(tǒng)層面上引入新的設(shè)計(jì)，降低1018 nm激光的重吸收和ASE波段的光纖內(nèi)反饋，改進(jìn)光纖激光器的系統(tǒng)構(gòu)型以合理分配沿光纖的激光效益分布。

　　對(duì)于級(jí)聯(lián)泵浦的高功率光纖激光器，則要針對(duì)級(jí)聯(lián)泵浦的特點(diǎn)，一方面采取拉曼濾波措施，如使用啁啾傾斜光柵等，另一方面還應(yīng)優(yōu)化增益光纖設(shè)計(jì)，優(yōu)化摻雜元素組分和工藝、折射率分布、模場(chǎng)尺寸和分布，提升吸收系數(shù)和光束質(zhì)量，提高光纖激光系統(tǒng)性能;此外，還可以采取抗損傷特性更優(yōu)異的三包層光纖等設(shè)計(jì)，提升光纖激光系統(tǒng)的可靠性與穩(wěn)定性，最終獲得萬(wàn)瓦甚至數(shù)萬(wàn)瓦的功率輸出。

　　2、在控制光譜性質(zhì)方面，級(jí)聯(lián)泵浦的高功率隨機(jī)光纖激光器是控制光譜展寬和光場(chǎng)時(shí)域不穩(wěn)定性的有效技術(shù)方案，能夠獲得比傳統(tǒng)固定腔激光器時(shí)域更穩(wěn)定的高功率輸出。

　　同時(shí)，通過(guò)有針對(duì)性地采取抑制SRS效應(yīng)、譜域外濾波、泵浦結(jié)構(gòu)優(yōu)化等措施，可以顯著提升隨機(jī)光纖激光光譜亮度。

　　3、在拓展輸出波長(zhǎng)范圍方面，級(jí)聯(lián)泵浦的高功率拉曼光纖激光器可以將波長(zhǎng)拓展至1.2 µm波段并實(shí)現(xiàn)千瓦乃至萬(wàn)瓦級(jí)的功率輸出，為光譜合成的功率提升奠定了基礎(chǔ)。

　　通過(guò)增益混合結(jié)構(gòu)中有源和無(wú)源光纖的參數(shù)配合，可實(shí)現(xiàn)更高效益的激光輸出。

　　級(jí)聯(lián)泵浦還可通過(guò)在鉺鐿共摻光纖激光中的應(yīng)用，將波長(zhǎng)拓展到大于1.5 µm波段并實(shí)現(xiàn)百瓦級(jí)的輸出，為通信、智能物聯(lián)網(wǎng)等領(lǐng)域提供優(yōu)質(zhì)激光，甚至進(jìn)一步級(jí)聯(lián)泵浦摻銩、摻鈥光纖激光等，實(shí)現(xiàn)更高功率的中紅外波段輸出，助力醫(yī)療等領(lǐng)域邁上更高水平。

參考文獻(xiàn)： 中國(guó)光學(xué)期刊網(wǎng)

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