高功率、低量子亏损同带抽运掺镱光纤放大器

姜曼 肖虎 周朴 王小林 刘泽金

(国防科学技术大学光电科学与工程学院,长沙 410073)

(2012年8月23日收到;2012年9月3日收到修改稿)

1 引言

随着光纤制作的工艺水平以及高亮度半导体激光器二极管(LD)抽运技术的快速发展,单根双包层光纤激光器的输出功率得到了飞速的提高[1−7].然而,抽运过程中的量子数亏损和LD有限的亮度这两个因素制约了单根光纤的最大输出功率[6,7].采用传统的利用LD直接抽运掺镱光纤激光器的方式,所获得的最大输出功率将被限制在千瓦级水平[8].因此,为了能够进一步提高单根光纤激光器的输出功率,就需要从抽运源的亮度和量子效率两个方面着手.一种比较有效的解决方案就是利用短波长掺镱光纤激光器抽运掺镱光纤的同带抽运的方式[8].一方面,与LD的波长相比,抽运光的波长与输出激光的波长更加接近,这样就使得激光器的量子数亏损减小,热效应降低.另一方面,抽运光的亮度比LD抽运光源的亮度要高很多,良好的光束质量有利于激光器对于抽运光的吸收,提高了光光转换效率.目前国际上最高功率的光纤激光器即是利用多束1018 nm光纤激光对掺镱光纤进行同带抽运实现的[9].

由于1018 nm波段的吸收截面和发射截面的大小几乎一样,并且远小于常规波段(1060—1130 nm)[10]的发射截面,这就使得它很容易出现受激自发辐射(ASE)和自激现象.因此,在国内外有关该波段光纤激光器的研究报道为数不多.在国外,IPG公司已实现300 W量级的1018 nm掺镱光纤激光器,但未报道有关该激光器实验的细节和数据.在国内,2011年,Li等[11]报道了7.5 W的空间结构1018 nm光纤激光器,斜率效率约为16%.同年,Liu等[12]报道了输出功率为113 W的1018 nm光纤放大器,斜率效率为77%.在1018 nm波段同带抽运方面,Xiao等[13]报道了一台瓦量级同带抽运高效率光纤放大器,斜率效率约为80%.目前还未见瓦量级以上更高功率的实验报道.

本文报道一台基于短波长掺镱光纤激光器抽运掺镱光纤的同带抽运的高功率、低量子亏损掺镱光纤放大器.搭建一台高效率、全光纤结构的1018 nm激光器,并用其对掺镱光纤进行同带抽运,对1080 nm波段激光进行高效放大,最终获得了18.6 W 1080 nm波段激光输出,光-光转换效率高达90.86%,充分体现了同带抽运低量子亏损的优势.

2 高功率1018 nm激光光源

实验中采用的1018 nm激光光源的结构如图1所示.整个系统为全光纤结构.振荡器由高反射率光纤布拉格光栅(HR FBG)和低反射率光纤布拉格光栅(LR FBG)共同组成.抽运源为稳波长LD,输出激光的中心波长为976 nm.激光二极管发出的抽运光经合束器,通过HR FBG 到掺镱光纤中,再经过LR FBG实现激光输出.

图1 1018 nm光纤激光器结构图

激光器的输出光谱和功率特性曲线分别如图2(a)和(b)所示. 在最大抽运功率为28.6 W时,得到了21 W 1018 nm光纤激光输出,光-光转换效率为73.4%.此时,抽运光得到了充分吸收,输出光谱成分中没有残余抽运光和ASE成分.

图2 1018 nm光纤激光器输出特性 (a)光谱特性;(b)功率特性

3 高效率同带抽运实验

基于同带抽运的高功率、低量子亏损的掺镱光纤放大器的结构如图3所示.1018 nm激光和1.9 W的1080 nm种子激光经一个1018 nm/1080 nm的波分复用器(WDM)注入到增益光纤中.放大器输出光纤端面研磨成8°斜角以抑制自激振荡.需要说明的是,WDM对1018 nm的抽运光和1080 nm的种子光都有一定的损耗.当1018 nm抽运光注入功率为21 W时,经过WDM后输出功率为18.6 W;当种子光注入功率为1.9 W时,经过WDM后输出功率为1.7 W.

图3 同带抽运放大器结构图

图4 同带抽运实验结果 (a)最大输出功率时的光谱;(b)1080 nm激光输出功率特性曲线

实验中,首先开启1080 nm种子激光,逐步增加1018 nm抽运光的功率,并实际监测输出激光的光谱.随着抽运功率的增加,1018 nm的激光能被掺杂光纤有效吸收,并将1080 nm信号光进行放大.当注入的1018 nm抽运光功率为18.6 W时,放大器输出光谱如图4(a)所示.残余1018 nm抽运光成分比1080 nm信号光低15 dB,可以认为抽运光基本被完全吸收.1080 nm激光输出功率随注入的1018 nm抽运光的功率变化的曲线如图4(b)所示.当1018 nm激光的最大注入功率为18.6 W时,获得了18.6 W的1080 nm激光输出,扣除1.7 W的种子光成分后.计算可得本文搭建的同带抽运掺镱光纤放大器转换效率达到90.86%.

4 结论

开展了基于同带抽运的高功率、低量子亏损的掺镱光纤放大器实验研究.搭建了一台输出功率为21 W的1018 nm短波长掺镱光纤激光器,并利用其对双包层掺镱光纤进行同带抽运,获得18.6 W的1080 nm波段激光输出,光-光转换效率高达90.86%.本文的实验结果为百瓦级以及更高功率掺镱光纤同带抽运奠定了基础.

[1]Limpert J,Liem A,Zellmer H 2003 Electron.Lett.39 645

[2]Jeong Y,Sahu J K,Payne D N 2004 Opt.Express 12 6088

[3]Limpert J,Fabian R,Klingebiel S 2007 IEEE J.Sel.Top.Quantum Electron.13 537

[4]Kilowatt Laser Amplifi er Platform[EB/OL]http://www.nufern.com/kilowatt amp.php

[5]Horley R,Norman S,Zervas M N 2007 Proc.SPIE 6738 67380K

[6]Lou Q H,Zhou J,Zhang H B,Yuan Z J 2010 Chin.J.Lasers 37 2235(in Chinese)[楼祺洪,周军,张海波,袁志军2010中国激光37 2235]

[7]Dong X L,Xiao H,Ma Y X,Zhou P,Guo S F 2012 Acta Phys.Sin.61 064207(in Chinese)[董小林,肖虎,马阎星,周朴,郭少锋2012物理学报61 064207]

[8]Richardson D J,Nilsson J,Clarkson WA 2010 J.Opt.Soc.Am.B 27 63

[9]Stiles E 2009 Proceedings of the 5th International Workshop on Fiber Lasers Dresden,Germany,September 30–October 1,2009

[10]Kurkov A S 2007 Laser Phys.Lett.4 93

[11]Li Z,Zhou J,He B 2011 Chin.Opt.Lett.9 091401

[12]Liu Z J,Xiao H,Zhou P,Wang X L,Chen J B 2012 Chin.J.Laser 39 0305009(in Chinese)[刘泽金,肖虎,周朴,王小林,陈金宝2012中国激光39 0305009]

[13]Xiao H,Leng J Y,Wu W M,Wang X L,Ma Y X,Zhou P,Xu X J,Zhao G M 2011 Acta Phys.Sin.60 124207(in Chinese)[肖虎,冷进勇,吴武明,王小林,马阎星,周朴,许晓军,赵国民2011物理学报60 124207]