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2021年第15期亮点文章(二):“光耀清华”纪念专辑 | 级联泵浦高功率掺镱光纤激光器:进展与展望

已有 114 次阅读 2021-9-23 17:13 |系统分类:论文交流

“光耀清华”纪念专辑 | 级联泵浦高功率掺镱光纤激光器:进展与展望

背景介绍

高功率掺镱光纤激光器具有转换效率高、输出亮度高、结构紧凑灵活、热管理简单、系统稳定可靠等优势,已成为众多高功率激光系统优选光源之一,在工业、医疗、科研、军事等方面获得了越来越广泛的应用。

高功率光纤激光器技术是当今世界科技强国竞相发展的重要技术之一,而其泵浦方案更是高功率光纤激光领域重要的研究热点。目前泵浦方案分为直接泵浦(direct pumping)和级联泵浦(tandem pumping)两类。级联泵浦指用激光泵浦激光,即激光在光光转化过程中的多次级联(图1)。直接泵浦则指整个系统仅有一次主要的光光转化过程,直接由泵浦光产生最终输出的激光。

图1 级联泵浦高功率掺镱光纤激光器原理图

对于掺镱光纤激光器,直接泵浦常用波长在915 nm或976 nm附近的半导体激光器作为泵浦光源;而级联泵浦则常用波长在1000 nm以上的光纤激光器作为泵浦光源。

级联泵浦分散了整个激光转换过程中的量子亏损,因而系统具有低热负载的特点,有利于产生更高功率的光纤激光。目前,级联泵浦已应用于传统波长的掺镱光纤激光、随机激光、拉曼激光等各类光纤激光系统中,获得了突出的性能表现,发掘出了高功率掺镱光纤激光的巨大潜力。

清华大学高功率光纤激光研究团队肖起榕副教授和闫平教授等人针对级联泵浦的高功率掺镱光纤激光器技术进展进行了总结和展望。

关键技术进展

1、级联泵浦用高功率1018 nm光纤激光器进展

高功率1018 nm光纤激光器是用于级联泵浦掺镱光纤激光器的主流光源,这一泵浦波长权衡了技术难度与泵浦效益两方面的需求。

目前的高功率1018 nm光纤激光器主要关注的性能指标有功率、亮度(对光束质量和功率的整体评价)、ASE抑制比等,其中更加重视亮度的提升。这是因为泵浦注入光纤的能力逐渐成为瓶颈因素,而1018 nm光纤激光的亮度提升使得更多的泵浦光能够注入更细的增益光纤,甚至允许高功率纤芯泵浦,其综合效益超过单纯增加泵浦功率。

早期,1018 nm光纤激光器的实际亮度水平均在80 W/(μm2﹒sr)以下,ASE与信号强度差值仅为30~40 dB。2015年,亮度提升至130~170 W/(μm2﹒sr)。

本文作者团队先后于2017年和2018年将输出功率提升至805 W和1150 W,亮度达到240 W/(μm2﹒sr)和289 W/(μm2﹒sr),且光光效率可达82.9%(图2)。

2020年,美国IPG公司报道了1300 W输出功率,亮度达到1100 W/(μm2﹒sr),充分说明1018 nm光纤激光器的性能已经得到极大的提升。

图2 高功率1018 nm光纤激光器。(a)用非锁波长LD泵浦30/250 μm光纤实现805 W、240 W/(μm2﹒sr)输出;(b)双向泵浦30/250 μm光纤实现1150 W、289 W/(μm2﹒sr)输出

1018 nm光纤激光器的性能提升限制因素主要是放大自发辐射(ASE)效应。传统技术主要从削减增益光纤长度、提升芯包比两个角度进行优化。

本文作者团队通过抑制光纤内反射造成的ASE反馈机制,在500 W输出功率下达到了53 dB的ASE抑制比与86.5%的极高的光光效率[图3(c)],实现了良好的ASE抑制效果。通过创新激光增益构型设计,获得了比传统构型60%的亮度提升[图3(d)]。

图3 抑制ASE和寄生振荡的方法。(a)环形掺杂光纤;(b)光纤横截面折射率分布;(c)ASE的光纤内后向反馈机制、抑制后向光内反射的装置以及实施效果;(d)混合结构与传统振荡器结构的概念对比以及控制变量实验效果对比

2、级联泵浦高功率掺镱双包层光纤激光器

对于固定波长的掺镱双包层光纤激光器,用1018 nm泵浦的常见输出波长大约在1050 nm至1100 nm之间。自美国IPG公司2009年公开报道其万瓦激光产品以来,以1018 nm泵浦的高功率光纤激光报道逐渐增多,并且近年来国内报道功率呈领先态势。

级联泵浦的应用大幅提升了光纤激光器的功率和亮度水平。除了备受关注的极低的分布热负载优势之外,高功率1018 nm光纤激光器还带给级联泵浦系统两个主要的影响:

一方面,由于镱离子对1018 nm激光的吸收系数较小,级联泵浦系统的掺镱光纤通常都比较长,这降低了非线性效应(如SRS等)以及ASE致寄生振荡的阈值。

但是另一方面,高功率1018 nm光纤激光器带来了明显的泵浦亮度提升,增益光纤可以采用许多在直接泵浦配置下难以实现的创新设计,如直径更小的包层结构、新的泵浦耦合方式等,这不仅可以补偿吸收系数的劣势,还更有可能获得突破性的性能提升。

1018 nm级联泵浦的光纤激光器的主要限制因素之一是受激拉曼散射(SRS)效应。本文作者团队于2018年和2019年相继报道了1080 nm处5448 W[图4(a)]和1070 nm处5220 W[图4(b)]功率输出。

2019年,国防科技大学团队报道了使用啁啾倾斜光栅抑制SRS效应,在1080 nm中心波长功率达到4.2 kW时,M2可达1.8,通过插入啁啾倾斜光栅获得大于15 dB的SRS抑制,最终输出中心波长与SRS的信噪比提升至30 dB[图4(c)]。

图4 1018 nm光纤激光级联泵浦的高功率掺镱双包层光纤激光器(I)。(a)用30/250-μm掺镱双包层光纤实现5448 W的1080 nm输出;(b)国产30/250-μm 掺镱双包层光纤实现5220 W的1070 nm输出;(c)国防科技大学团队用啁啾倾斜光栅实现4.2 kW的1080 nm输出

级联泵浦高功率光纤激光器的增益光纤国产化进展喜人。2020年,中国工程物理研究院团队制备的50/400 μm国产掺镱双包层光纤实现了1018 nm级联泵浦下9.82 kW功率输出。

同年,本文作者团队采用中国科学院上海光机所制备的国产50/350/400 μm 掺镱三包层光纤实现了1018 nm级联泵浦下的9.01 kW功率输出,斜率效率达80.5%[图5(a)];采用中国电子科技集团公司第四十六研究所制备的国产掺镱双包层光纤,实现了13.9 kW激光输出,斜率效率87.0%;采用中国工程物理研究院化学材料所高功率光纤激光所地联合创新中心制备的国产掺镱双包层光纤,相继实现了10 kW和20 kW激光输出,斜率效率均大于83%[图5(b)]。

图5 1018 nm光纤激光级联泵浦的高功率掺镱双包层光纤激光器(II)。(a)国产50/350/400 μm 掺镱三包层光纤实现9.01 kW的1080 nm输出;(b)国产掺镱双包层光纤实现20 kW输出文

3、级联泵浦高功率随机光纤激光器

抑制功率提升过程中的光谱亮度劣化,是高功率光纤激光器的重要研究目标。

级联泵浦的高功率随机光纤激光器依靠增益介质(光纤)内的随机散射来提供谐振反馈,使得输出光具有时域稳定性和光谱不展宽(少展宽)等独特优势。相比其他类型的随机激光器,随机光纤激光利用光纤波导的一维方向性,将随机反馈的方向限定在很窄的空间角度内,从而极大降低激光输出阈值,并有极好的光束质量。

2017年的随机光纤激光器功率水平在1 kW左右;采用级联泵浦MOPA结构放大是进一步提高随机光纤激光输出功率的有效途径。

国防科技大学团队2019年报道了三级放大的1080 nm处3.03 kW随机光纤激光器,3 dB带宽为2.88 nm[图6(a)]。

同年,本文作者团队用1018 nm光纤激光器纤芯泵浦的随机光纤激光振荡器作为种子源,经两级放大后获得了1064 nm处4020 W的随机激光输出,光光效率达88.5%,3 dB带宽始终维持在1 nm以内[图6(b)]。

图6 级联泵浦高功率随机光纤激光器。(a)3 kW系统的随机光纤种子与三级放大实验系统结构图,以及相应光谱演化;(b)4 kW系统的随机光纤种子与两级放大实验系统结构图,以及相应光谱演化

抑制放大级中SRS效应是级联泵浦随机光纤激光器功率提升亟待解决的问题。

2021年,本文作者团队报道了使用带通滤波器过滤种子光源谱域外自发辐射噪声的级联泵浦随机光纤激光器,1070 nm处最高输出功率达5.1 kW,光光效率为89.0%,拉曼抑制比可达27 dB。对比实验表明,拉曼抑制比提高了16 dB(图7),表明谱域外噪声滤波的方案有效抑制了级联泵浦的随机光纤激光器中的SRS效应。

图7 用带通滤波器抑制SRS的级联泵浦5 kW随机光纤激光器系统结构、功率、线宽和光谱演化

4、级联泵浦高功率拉曼光纤激光器

为了满足掺镱光纤激光器在远距离遥感、光谱合成等领域的应用,迫切需要拓宽其输出波长范围。

高功率拉曼光纤激光器利用增益介质(光纤)中的SRS效应,使高功率密度的激光波长发生SRS频移;通过级联SRS增益,输出波长范围可拓展至1.2 μm以上。因为作用介质(光纤)长度越长,SRS发生的阈值越低,级联泵浦为充分吸收泵浦光所需的较长增益光纤长度恰好为拉曼增益提供了良好的条件,因此级联泵浦也是产生高功率拉曼光纤激光的优选方案。

拉曼增益需要高光谱功率密度和高空间亮度的激光作为泵浦。2020年,国防科技大学团队报道了基于特制的31/55.55/360 μm三包层光纤包层泵浦拉曼放大器,该光纤内包层面积与纤芯面积之比低至3.2。其泵浦源为1080 nm光纤激光器,在2365 W的泵浦功率下,最终输出激光功率为1925.8 W,其中纤芯中1130 nm拉曼激光功率为762.6 W,转换效率为31.5%。

混合增益可以提高拉曼光转化效率。混合增益是指在同一段光纤中,既进行着SRS增益过程,还进行着稀土离子转换激光增益过程。调整拉曼增益与镱离子增益的比例(调整对应的光纤长度),就可调节拉曼波长及其它输出特性。

2016年,本文作者团队用双向LD直接泵浦,在1122.8 nm处混合增益输出功率为3.89 kW,光光效率为70.9%,3 dB带宽为10.6 nm,该功率为当时已报道的最高输出功率(图8)。

图8 双向LD泵浦MOPA结构3.89 kW混合增益拉曼光纤激光器示意图、功率及光谱

2019年,作者团队进一步报道了正向1018 nm光纤激光器级联泵浦与后向976 nm LD直接泵浦的混合泵浦混合增益拉曼激光,总输出功率为4290 W,1121.9 nm处拉曼激光功率为3700 W,3 dB带宽为5.2 nm[图9(a)]。此外,还通过级联拉曼进一步实现了1500 W的1187 nm拉曼光纤激光输出。

图9 级联泵浦高功率拉曼光纤激光器。(a)1018 nm和LD混合双向泵浦3.7 kW混合增益拉曼光纤激光器示意图、功率和光谱;(b)1018 nm级联泵浦5 kW混合增益拉曼光纤激光器结构、功率和光谱

为了获得充足的级联拉曼增益而延长掺镱光纤长度,恰好能适应1018 nm级联泵浦吸收系数较小的特点。

2020年,国防科技大学团队报道了1018 nm级联泵浦的混合增益拉曼光纤激光器,1150 nm处输出功率达1338 W。

同年,本文作者团队基于多波长主振荡器,以1018 nm级联泵浦混合增益实现高功率拉曼光纤激光输出,泵浦功率为6720 W,拉曼波段输出功率占比5172 W,光光效率为76.9%[图9(b)]。

结论与展望

1、在提升功率和空间亮度方面,用以1018 nm为代表的高功率短波长光纤激光源进行级联泵浦成效优异。

级联泵浦的高泵浦亮度提供了灵活的系统设计空间。然而,要获得高亮度1018 nm光纤激光,同样需要从光纤、器件和系统层面上引入新的设计,降低1018 nm激光的重吸收和ASE波段的光纤内反馈,改进光纤激光器的系统构型以合理分配沿光纤的激光效益分布。

对于级联泵浦的高功率光纤激光器,则要针对级联泵浦的特点,一方面采取拉曼滤波措施,如使用啁啾倾斜光栅等,另一方面还应优化增益光纤设计,优化掺杂元素组分和工艺、折射率分布、模场尺寸和分布,提升吸收系数和光束质量,提高光纤激光系统性能;此外,还可以采取抗损伤特性更优异的三包层光纤等设计,提升光纤激光系统的可靠性与稳定性,最终获得万瓦甚至数万瓦的功率输出。

2、在控制光谱性质方面,级联泵浦的高功率随机光纤激光器是控制光谱展宽和光场时域不稳定性的有效技术方案,能够获得比传统固定腔激光器时域更稳定的高功率输出。

同时,通过有针对性地采取抑制SRS效应、谱域外滤波、泵浦结构优化等措施,可以显著提升随机光纤激光光谱亮度。

3、在拓展输出波长范围方面,级联泵浦的高功率拉曼光纤激光器可以将波长拓展至1.2 μm波段并实现千瓦乃至万瓦级的功率输出,为光谱合成的功率提升奠定了基础。

通过增益混合结构中有源和无源光纤的参数配合,可实现更高效益的激光输出。

级联泵浦还可通过在铒镱共掺光纤激光中的应用,将波长拓展到大于1.5 μm波段并实现百瓦级的输出,为通信、智能物联网等领域提供优质激光,甚至进一步级联泵浦掺铥、掺钬光纤激光等,实现更高功率的中红外波段输出,助力医疗等领域迈上更高水平。

课题组介绍

清华大学光子测控技术教育部重点实验室高功率光纤激光科研团队近二十年来,以高功率光纤激光器技术为基础,着眼于光纤激光与光电子技术的最新科技发展前沿和应用研发,聚焦高功率单纤全光纤激光器构建、功率提升、模式和光谱调控以及高功率光纤激光稳定可靠方法研究,以更高功率、更高效率、更广波长和更优质光束质量为目标,从创新方法、器件、系统集成和应用多层面开展新型光纤激光技术和核心光电子器件的理论和关键技术攻关,致力于为国防、工业和科学研究提供高功率光纤激光器及核心元器件等先进激光光源解决方案和产品供给。

团队主持承担的科研项目有973项目、863项目、总装“十·五”~ 装发“十三·五”重点预研项目、军用电子元器件型谱项目、国家自然科学基金项目等多项国家级和省部级项目。科研团队先后获得军队科技进步一等奖和教育部技术发明二等奖,成果入选装备技术发展成就展和军民融合发展高技术成果展。




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