分布式抽运连续光纤激光器研究

张雪霞， 葛廷武， 丁 星， 谭琦瑞， 尧 舜， 王智勇

(北京工业大学 激光工程研究院， 北京 100124)



分布式抽运连续光纤激光器研究

张雪霞， 葛廷武*， 丁 星， 谭琦瑞， 尧 舜， 王智勇

(北京工业大学 激光工程研究院， 北京 100124)

为了避免高功率光纤激光器中光纤端面出现热效应问题，依据多点级联结构的耦合器，对分布式抽运的光纤激光器进行了研究。首先，介绍了实验室自主研制的级联耦合器。然后，分析了耦合器插入对光纤激光器的影响。最后，选用自制的耦合器搭建了分布式抽运的光纤激光器。实验结果表明：对耦合器插入损耗的研究，能够促进高功率级联耦合器的实现。在光纤激光器结构中，975 nm泵浦功率注入1.1 kW时，1 080 nm激光功率输出为770 W，光-光转换效率为77%。在主控振荡功率放大结构中，激光功率输出为635 W，放大级的光-光转换效率为78%。分布式抽运方式可以使泵浦光多点注入，避免了热量的集中，能够获得千瓦级的激光功率输出。

光纤激光器； 激光振荡； 主控振荡功率放大； 级联耦合器； 高功率

1 引 言

但是，有研究指出，单模宽谱光纤的输出功率极限约为4. 2 kW[11]。而分布式的结构可以使泵浦光多点注入，能够解决光纤中热聚焦的问题[12]。目前，国内外对多点抽运方式进行了研究报道。2003年，麦克马斯特大学对kW级光纤激光器的泵浦方式进行了研究[13]。2003年，上海光机所理论研究了三点抽运光纤激光器的激光分配和功率分布[14]。2007年，北京航空航天大学对多点抽运的双包层光纤激光器进行了分析和优化[15-16]。2014年，重庆师范大学对掺Yb3+双包层光纤激光器的发展进行了调研和综述[17]。2014年，国防科技大学对分布式侧面抽运光纤激光器和端面抽运光纤激光器进行了对比：在分布式侧面耦合包层抽运光纤激光器中，抽运光分布均匀，光纤两端的热负荷较小，激光产生的线性度很好，热量能够分散到整根光纤[18]。2015年，北京交通大学采用打靶的方式对多点抽运进行了理论模拟和分析[19]。同年，南京邮电大学对侧面均匀泵浦方式中光纤激光器的阈值特性进行了分析[20]。北京工业大学激光工程研究院对多点抽运的耦合器也进行了研制[21]。

本文结合自主研制的级联耦合器，实验研究了级联耦合器插入对光纤激光器的影响，搭建了分布式抽运的光纤激光器。当975 nm泵浦功率注入为1.1 kW时，1 080 nm激光功率输出为770 W，光-光转换效率为70%；在主控振荡功率放大结构中，注入975 nm泵浦光功率为546 W时，种子光功率由206 W放大到635 W，放大级的光-光转换效率为78%。激光器能够在最大功率输出稳定运行。

2 耦合器

2.1 耦合器结构

采用氢氧焰拉锥的方式，实验室自主研制的级联耦合器如图1所示。耦合器的主光纤的纤芯直径为20/400 μm，泵浦光纤的纤芯/包层直径为105/125 μm，数值孔径(Numerical aperture，NA)为0.22。

图1 级联耦合器

2.2 耦合器对激光器的影响

在级联耦合器中，插入点的引入会使光纤包层发生形变，影响光波导结构，导致部分信号光泄漏到包层中，影响激光器的单模功率输出。实验中我们选用不同损耗的耦合器进行了研究。

图2为实验结构装置。一对光栅构成激光器谐振腔镜，光栅刻写在20/400 μm双包层无源光纤上，高反射光栅(High reflection fiber Bragg grating, HR FBG)对1 080 nm波长激光的反射率为98%，透射光栅(High transmission fiber Bragg grating, HT FBG)对1 080 nm波长激光的反射率为10%。抽运光源选用3支中心输出波长975 nm、输出尾纤105/125 μm、NA值0.22、最大输出功率110 W的激光二极管(Laser diode, LD)。增益介质为纤芯/包层直径分别为20/400 μm、NA值分别为0.06/0.46的掺镱双包层光纤，该光纤对975 nm泵浦光的吸收系数为1.26 dB/m。

图2 实验结构装置

选用不同信号光泄露的耦合器进行实验。为了减小熔接误差，每组数据进行多次熔接测试，然后取平均值。在腔内没有加入剥离器时，激光功率与泵浦功率的变化曲线如图3所示。当975 nm泵浦功率注入为321 W时，1 080 nm激光功率输出为264 W，光-光转换效率为82%。

施工单位在进行施工之前，还需要再一次进行该施工路段的测量。本次主要针对导线点、加密点和水准点进行测量。严格按照标准测量其是否具有施工的条件，在此过程中可以使用全站仪开展中线测量法和极坐标法。还要对整个施工路面是否平整进行测量，且通过安装自动安平水准仪对路基的高度进行控制。

图3 输出功率与泵浦功率的关系

由于泵浦功率和有源光纤保持不变，所以当没有剥离器时，激光器的功率输出可以认为是一致的。当激光器中加入剥离器后，由于耦合器的插入损耗不一样，激光模式的分布被改变，导致剥离后的功率输出存在差异。图4描述了输出功率与耦合器损耗的关系曲线。从图中可以发现：当耦合器的信号光泄漏为10 dB时，激光器功率输出为231.5 W，光-光转换效率为72%；当信号光泄露大于10 dB时，输出功率开始迅速下降；当耦合器的信号光泄露为18.4 dB时，激光器的功率输出为172.7 W，光-光转换效率为54%，严重影响了激光器的功率输出。

图4 激光器功率输出随耦合器插入损耗的变化关系

3 激光器实验

在耦合器测试的基础上，我们选用两组级联耦合器进行了光纤激光器和放大器的实验研究。

3.1 激光振荡器

光纤激光器的具体结构如图5所示。反射率98%的HR FBG 和反射率10%的HT FBG构成谐振腔镜。10个输出功率110 W、波长975 nm的LD作为泵浦源，通过自主研制的级联耦合器，注入纤芯/包层直径为20/400 μm、NA值为0.06/0.46的掺Yb光纤，光纤长度为20 m。实验中级联耦合器的泵浦效率分别为96%和93%，对信号光的泄露分别是0.13 dB和0.22 dB。

图5 双向抽运光纤激光振荡器结构示意图

975 nm泵浦功率注入为1.1 kW时，1 080 nm激光功率输出为906 W。在输出端附件加入剥离器后，1 080 nm 近单模激光功率输出为770 W，激光器的光-光转换效率为71%。耦合器是级联结构，虽然对信号光的泄露比较小，但是存在泵浦传输损耗，影响泵浦光的有效吸收。泵浦光传输损耗限制了级联耦合器的实现，目前我们采用氢氧焰拉锥的方式，可以成功实现5个级联。

从图6的功率输出曲线中可以发现：功率输出具有良好的线性关系，光纤中没有出现热损伤现象，若增加泵浦功率会得到更高功率的激光输出。

图6 激光功率输出与抽运光功率的关系

Fig.6 Output powervs. pumping power of the fiber laser

3.2 MOPA 结构

选用同样的级联耦合器，搭建了MOPA结构。振荡级选用前向泵浦的方式，反射率98%的HR FBG和反射率10%的HT FBG构成谐振腔镜。5个输出功率为110 W、波长为975 nm的LD作为泵浦源，通过级联耦合器注入长度为20 m、纤芯/包层直径为20/400 μm、NA值为0.06/0.46的掺Yb光纤。种子光经过级联耦合器b和20 m掺镱光纤进行功率放大。结构装置如图7所示。

图7 光纤激光放大器的结构

当种子光功率为206 W、放大级LD注入功率为546 W时，种子功率放大到635 W，放大级的光-光转换效率为78%，如图8所示。在实验过程中，激光器一直处于稳定的工作状态。

图8 MOPA激光功率输出与抽运光功率的关系

Fig.8 Output powervs. pumping power of the MOPA

4 实验结果及分析

两种结构的激光器实验结果表明，级联耦合器可以实现泵浦功率的扩展，解决激光器中热量集中的问题。目前，本实验室可以成功研制单点单个、5个耦合器的级联，级联耦合器的泵浦效率在95%以上，对信号光的泄露低于0.3 dB。在光纤激光器中，当975 nm泵浦功率注入为1.1 kW时，1 080 nm近单模激光功率输出为770 W，光-光转换效率为70%。在主控功率放大结构中，1 080 nm最高功率输出为635 W，放大级的光-光转换效率为78%。激光器在最高功率运行时，没有出现热损伤现象，功率输出呈线性增加。本研究为实现单点多个耦合器级联提供了实验基础。

5 结 论

根据目前高功率光纤激光器的热效应问题，提出了分布式抽运的光纤激光器结构，研究了耦合器插入损耗对光纤激光器的影响，搭建了分布式抽运的光纤激光器和放大器。实验结果表明：通过降低级联耦合器泵浦传输损耗与信号插损，可以实现单点级联、多点级联的耦合器，获得千瓦、万瓦级的光纤激光器。

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张雪霞(1984-)，女，山东冠县人，博士研究生，2011年于北京工业大学获得硕士学位，主要从事高功率光纤激光器和光纤器件等方面的研究。

E-mail: zhangxuexia13@emails.bjut.edu.cn

葛廷武(1978-)，男，北京人，博士，助理研究员，2009年于北京邮电大学获得博士学位，主要从事光纤激光器、光纤光学以及非线性光纤光学等方面的研究。

E-mail: getingwu@bjut.edu.cn

Study of Continuous Fiber Laser with Distributed Pump Structure

ZHANG Xue-xia, GE Ting-wu*, DING Xing, TAN Qi-rui, YAO Shun, WANG Zhi-yong

(InstituteofLaserEngineering,BeijingUniversityofTechnology,Beijing100124,China)*CorrespondingAuthor,E-mail:getingwu@bjut.edu.cn

In order to avoid the thermal effect of fiber-end in high power fiber laser, the fiber laser based on the multi-point cascaded was studied. First, the self-developed cascaded couplers were introduced. Then, the effect of the couplers insertion on the fiber laser was analyzed. Finally, the fiber laser and the master oscillator amplifier with the pumping distributed structure were built. Experimental results indicate that the research on the insertion loss of the coupler can promote the development of high power cascaded coupler. In the distributed fiber laser, the output power of 1 080 nm is 770 W with the pump power of 1.1 kW, and the optical to optical conversion efficiency is 77%. The output power of maser oscillator power amplifier structure is 635 W with the optical conversion efficiency is 78%. It can satisfy that the distributed pumping can solve the heat concentration in fiber laser, can achieve the kilowatt fiber lasers.

fiber laser; laser oscillation; MOPA; cascaded couplers; high power

1000-7032(2016)09-1071-05

2016-04-20；

2016-06-12

国家科学重大专项——工业用高功率全光纤激光器的开发(2010ZX04013-052)资助项目

TN245； TN248

A

10.3788/fgxb20163709.1071