透镜组耦合793nm LD抽运掺Tm3+光纤激光器

张 茂，任 钢，刘文兵，夏惠军，刘全喜，钟 鸣

(西南技术物理研究所，成都610041)

引 言

掺Tm3+光纤激光器能输出2μm左右的激光，工作在人眼安全的波段(大于1.4μm)，且处于大气窗口内，还存在几个窄的水吸收峰，在遥感、探测、测距、雷达、空间光通信、医疗、军事等方面有着广泛的应用，近年来成为国内外研究的热点［1－3］。793nm 激光抽运掺Tm3+光纤激光器是获得高功率2μm激光的有效途径。2009年，MOULTON等人报道了输出885W 的多模掺 Tm3+光纤激光器［4］。目前，掺Tm3+光纤激光器的最高输出功率是Q－Peak公司在2010年Photonics West会议上报道的超过1kW的输出［5］。2009年，哈尔滨工业大学的ZHANG等人实现了全光纤掺Tm3+连续激光39.4W输出［6］。本文中采用透镜组耦合793nm激光二极管(laser diode，LD)抽运掺Tm3+光纤，最终获得了抽运光耦合系统的耦合效率为84%左右;基于光纤光栅和光纤输出垂直端面构成谐振腔，掺Tm3+光纤激光器最大输出激光34W，斜率效率为59%，中心波长2001.2nm，光束质量M2≤1.2。

1 理论分析

1.1 抽运方案

2μm掺 Tm3+光纤激光器的抽运方案有:3H6→3H4，3H6→3H5，3H6→3F4，793nm 抽运光所对应的能级跃迁为3H6→3H4，在较高掺杂浓度时，相邻粒子间存在交叉弛豫效应(3H4，3H6→3F4，3F4)，如图1所示，吸收一个793nm抽运光子，可以产生两个2μm激光光子，理论最高量子效率为200%［7］。

图2是在不计算交叉弛豫和计算交叉弛豫效应时抽运光沿光纤的分布。交叉弛豫效应对抽运光的吸收有重要的影响，计算交叉弛豫时的最佳光纤长度远远短于不计算交叉弛豫时的情况。较短的光纤可以有效减小光纤激光器的非线性效应，因此优化Tm3+浓度，提高Tm3+之间的交叉弛豫过程，可以有效实现掺Tm3+光纤激光器的高功率、高效率运转。

Fig.1 Cross relaxation process(3H4，3H6→3F4，3F4)of Tm3+－doped fiber laser

Fig.2 The distribution of pump power along fiber

Fig.3 The distribution of pump power and signal power along fiber with 6m of fiber length

793nm抽运光沿光纤长度方向被铥光纤吸收，使Tm3+的3H6与3F4能级之间发生粒子数反转，然后通过受激发射，产生2μm激光。图3为光纤长为6m时，光纤中抽运光和产生的激光沿光纤分布。随着抽运光功率的减小，2μm激光功率逐渐增加，在6m左右时，输出激光功率达到最大，当继续增加光纤长度，输出激光并不随着增加，甚至减小，这是由于此时的增益小于损耗。影响光纤最佳长度的因素较多，实际工程应用中应根据具体参量，结合实验研究确定光纤的最佳长度。

1.2 抽运光耦合系统

高功率掺Tm3+光纤激光器关键技术之一是抽运光的高效耦合。抽运方式有端面抽运和侧面抽运两种，按抽运光具体耦合方式端面抽运又分为透镜组耦合、直接熔接耦合和锥导管耦合，其中透镜组耦合是实验室常用的耦合方式之一，特点是结构简单、器件分离、容易实现等［8］。

本文中抽运光耦合系统采用双平凸透镜组，具有较小的系统球差，图4为耦合效率测试示意图。

Fig.4 Schematic diagram of double lens coupling efficiency measurement

不考虑透镜厚度和像差时，高斯光束经耦合透镜组的ABCD变换矩阵M为［9］:

式中，f1，f2分别为平凸透镜 L1，L2的焦距;透镜 L1，L2之间的距离为L;l是尾纤输出端到L1距离，l'为L2到耦合光纤输入端的距离。设光束束腰w0位于抽运源输出尾纤端面处，可以由传输矩阵M得到经过耦合透镜组的出射光束束腰半径w0'和束腰位置l':

要使抽运光通过透镜组系统后能够高效地耦合进光纤，需要满足激光束腰直径小于掺杂光纤内包层直径(dlaser＜dclad);而且激光束的发散角也要小于光纤内包层的孔径角(θlaser＜2arcsindNA，其中，dNA是数值孔径)，满足激光在光纤中传输的全反射条件。

设定抽运源采用Nlight公司的NL－P4S100－0793型半导体激光器，带尾纤输出。耦合透镜由西格玛公司提供，型号为 SLB－05－08P 和 SLB－06－10P 的BK7－平凸透镜。在ZEMAX软件里采用物理光学方法仿真，优化透镜间的距离，可以得到该耦合系统的耦合效率为94.8%，图5是ZEMAX仿真结果。

Fig.5 The simulation results of coupling system using ZEMAX

1.3 热效应分析

掺Tm3+光纤激光器属于准二、三能级系统，热效应会严重影响输出激光功率、斜率效率等。抽运光输入端热效应最集中，图6是取Nufern公司型号为LMA－TDF－25/400的铥光纤，将内包层等效为圆形，抽运光功率为100W时，光纤输入端横截面的温度分布。纤芯温度最高，与外包层温度相差几个开尔文，但是外包层可承受的温度较低(423K～473K)，长期稳定工作，应低于353K，在较高功率运转时必须对光纤进行散热处理［10］。

Fig.6 The temperature distribution of the cross section of fiber

在不同的冷却条件下，具有不同的换热系数。图7是换热系数h分别为 200W·m－2·K－1，1000W·m－2·K－1，2000W·m－2·K－1和 3000W·m－2·K－1、抽运光功率为100W时，光纤端面的温度分布。当采用水自然对流冷却时，换热系数h取值范围为200W·m－2·K－1～ 1000W·m－2·K－1［11］，因此能够满足对掺Tm3+光纤的有效冷却。

Fig.7 Radial temperature distribution at input end with different heat transmission coefficient

2 实验结果与分析

2.1 抽运光耦合系统实验

实验中所用抽运源是Nlight公司的NL－P4S100－0793型半导体激光器，输出抽运光波长为793nm，尾纤直径400μm，数值孔径dNA=0.22。选用的耦合透镜是西格玛公司的BK7－平凸透镜，型号为SLB－05－08P 和 SLB－06－10P，焦距分别为 8mm 和 10mm。利用一段22.4cm无源光纤作为测试光纤，其参量与Nufern公司型号为LMA－TDF－25/400的铥光纤基本相同，内包层直径为400μm。

分别测量透过透镜组的激光功率Pi、耦合光纤输出端激光功率Po，可以得到透过透镜组耦合效率为η=(Po/Pi)×100%。图8为通过透镜组耦合输入与输出激光功率关系，利用最小二乘法拟合可以得到系统的耦合效率为84%。由于透镜组耦合实验对调节装置精度要求比较高，耦合激光光斑与光纤输入端之间难以避免地存在横向、纵向和角度等误差，因此实验结果与仿真有一定的差距。如果改进调节装置的调节精度，可以获得更高的耦合效率。

Fig.8 Output power varing with the input laser power in the experiment of double lens coupling system

2.2 掺Tm3+光纤激光器实验

793nm激光抽运掺Tm3+光纤激光器，对应的跃迁能级为3H6→3H4，当掺Tm3+浓度较高时，相邻粒子间存在交叉弛豫效应，可以获得较高的量子转换效率。实验中所用铥光纤为Nufern公司提供的LMA－TDF－25/400型号的光纤，内包层为八边形，具体参量如表1所示。

Table 1 Parameters of Tm3+－doped fiber

图9a为掺Tm3+光纤激光器实验装置原理图，图9b是实验系统实物图。抽运光由透镜组耦合进入光纤光栅的一端，光纤光栅的另一端与掺Tm3+光纤直接熔接，光纤光栅对793nm抽运光高透，2μm激光高反;掺Tm3+光纤另一端面的菲涅耳反射作为输出耦合;最后，经滤波器滤除剩余的793nm抽运光，得到2μm左右激光输出。其中，光纤布喇格光栅(fiber Bragg grating，FBG)由加拿大Teraxion公司提供，纤芯和外包层直径分别为25μm，400μm，与掺Tm3+光纤尺寸匹配。

实验的关键是要保证抽运光的高效耦合，以及对掺杂光纤的冷却。采用透镜组耦合抽运光的方式，采用了分离器件，实验中对调节精度要求比较高。针对光纤端面热积累比较多，容易烧毁，实验过程中应避免光纤端面损伤、污染，以免使光纤的毁伤阈值降低。图10是分别采用水冷和冰水混合物冷却掺Tm3+光纤时，输出激光随吸收的抽运光功率的变化。当温度较低时，输出的功率和斜率效率都获得了提高。

Fig.9 Experiment setup of Tm3+ －doped fiber lasers of double lens coupling pump laser

Fig.10 Output power varing with the absorbed power with different cooling conditions

Fig.11 Output power of 2μm laser varing with the absorbed power

图11为输出的2μm激光功率随吸收的抽运光的变化关系。得到该掺Tm3+光纤激光器的阈值功率约为8.7W，在入纤抽运光功率为70W时，最高输出34W、2μm左右激光，同时也存在8W抽运光未被吸收。表明适当增加掺Tm3+光纤长度，抽运光功率吸收更充分，可以获得更高功率的2μm激光输出。由图10可知，相对吸收的抽运光功率，该掺Tm3+光纤激光器斜率效率为59%，整个系统的光光转换效率为34%。当输出激光功率达到最大时，效率并没有下降的趋势，如果进一步增加抽运光功率，能获得更高功率的2μm激光输出。输出激光的中心波长为2001.2nm，光束质量为M2≤1.2。该掺Tm3+光纤激光器具有进一步优化的空间，掺Tm3+光纤太短，抽运光未能充分吸收;掺Tm3+光纤激光器的热效应对输出激光功率影响较大。另外，抽运光耦合系统也是限制输出功率的重要影响因素。

3 小结

对透镜组耦合系统和掺Tm3+光纤激光器进行了研究，并对平凸透镜组耦合抽运光的方式进行了分析，讨论了掺Tm3+光纤激光器的交叉弛豫效应以及热效应。实验中测得耦合系统透过透镜组的耦合效率达到84%，最终掺Tm3+光纤激光器系统输出激光34W，斜率效率为59%，中心波长2001.5nm，光束质量M2≤1.2。实验研究表明，冷却温度较低时，输出激光功率和斜率效率都有所提高。可以从以下几个方面提高该掺Tm3+光纤激光器的性能，即适当增加铥光纤长度;改进冷却系统;提高耦合系统效率。该掺Tm3+光纤激光器输出功率仅受限于抽运光功率，如果增加抽运光功率，可以输出更高功率的2μm激光。

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