万瓦级光纤激光双色镜合成技术*

奚小明 杨保来 王鹏 张汉伟 王小林† 韩凯 王泽锋‡ 许晓军 陈金宝

1) (国防科技大学前沿交叉学科学院,长沙 410073)

2) (国防科技大学南湖之光实验室,长沙 410073)

3) (高能激光技术湖南省重点实验室,长沙 410073)

高功率光纤激光具有光束质量好、转换效率高、热管理方便和柔性传输等优势,在工业加工和国防领域具有广泛的应用需求.目前,受限于光纤中的非线性效应和模式不稳定效应,单链路光纤激光器输出功率的提升遇到了巨大挑战.为突破单链路激光功率限制,本文基于双色镜合成技术,利用两路自研近单模宽谱光纤激光放大器实现了10 kW 近单模合束激光输出,合成效率约为98.3%,光束质量因子M 2 约为1.29.为进一步提升功率,采用三路宽谱激光实现了13.52 kW 合束激光输出,合成效率约为96.8%,光束质量因子M 2 约为1.61.本文首次在实验上验证了双色镜合成技术的对宽谱激光的功率提升潜力和光束质量保持能力,通过增加合成路数以及提高单路激光功率,有望在保持高光束质量的情况下实现更高功率激光输出.

1 引言

高功率光纤激光器具有电光转换效率高、光束质量好、热管理方便和柔性传输等优点,在工业加工、生物医疗和国防军事等领域具有广泛的应用需求[1-4].近年来,随着双包层光纤技术和高亮度半导体激光泵浦源的应用和发展,光纤激光器的输出功率得到了大幅度提升.然而,随着激光功率密度不断增大,光纤中的受激拉曼散射、受激布里渊散射等非线性效应也变得越来严重,与模式不稳定效应一起已然成为光纤激光器功率提升的主要限制因素[5,6].目前,在多模光纤激光器方面,虽然国内包括工程物理研究院、国防科技大学、华中科技大学等在内的多家单位在输出功率上也相继突破了20 kW 量级[7-9],但由于所用的增益光纤和传能光纤的纤芯尺寸均较大,且未对输出激光模式进行有效控制,导致输出激光的光束质量表现不佳.根据文献[10]的报道,近单模光纤激光器最高输出功率在过去很长一段时间基本没有进展.

光束合成技术能够实现多路激光的相干或者非相干叠加,从而大幅度提升光纤激光器系统的输出功率.作为光束合成技术的一种,光谱合成技术通过利用棱镜、光栅或者双色镜等色散元件将不同频率(波长)的激光合束和进行共孔径输出[11-13].该方法既能降低单链路激光功率的要求,又能保持单链路激光良好的光束质量,是一种提升输出激光功率的有效方法.而双色镜主要通过在镜片的前后表面镀上不同的膜系,分别实现两束不同波长激光的高反和高透.通过膜系的设计和多组双色镜的组合,可实现多路不同波长激光的合束[14].

2018 年,美国密歇根大学Regelskis 等[15]利用双色镜方案实现了三路脉冲光纤激光器合成,合成平均功率为52 W,脉冲能量为1.9 mJ,合成效率达到90%.2009 年,德国耶拿大学Schmidt 等[16]利用3 个双色镜实现了四路脉冲激光的合束,合成后输出平均功率208 W,脉冲能量6.3 J.2017 年,南京理工大学马骏课题组[17]利用两路宽谱光纤激光进行双色镜合束,单路激光器输出功率分别为5.3 kW 和4.9 kW,光束质量M2分别为5.55 和5.46,最终实现了10.12 kW 激光输出,合成效率98.9%.由于所用的激光器是多模光纤激光器,且合束镜较高的温升导致光束质量退化,输出光束质量M2＞10.2021 年,国防科技大学何旭宝等[18]基于双色镜方案实现了两路千瓦级窄线宽光纤激光合束,输出功率2.3 kW,光束质量M2约为1.9,合成效率大于99%.2022 年,国防科技大学杨保来等[19]利用两路宽谱光纤激光进行双色镜合束,实现了8 kW 近单模输出,光束质量M2约为1.5.

考虑到光纤激光器带宽以及色散元件制备工艺的限制,为了保证合成效率和合成路数的要求,当前大部分光谱合成和双色镜合成实验都是基于窄谱激光光源实现的.通过适当放宽合成光源的光谱宽度和匹配高质量合成镜片,采用宽谱光纤激光器和双色镜合成方案也是一种低成本高可靠性的技术途径.本文通过对高功率光纤激光器模式和光谱进行有效控制,在多个波长实现了近单模5 kW级高功率光纤激光输出.并基于双色镜合成技术,实现了两路自研宽谱近单模光纤激光放大器合成10 kW 近单模激光输出,合成效率约为98%,光束质量因子M2约为1.29.为进一步提升功率,采用三路激光实现了13.52 kW 合束激光输出,合成效率约为96.8%,光束质量因子为M2约为1.61.实验表明,通过增加合成路数以及提高单路激光器的功率,有望在保持高光束质量的情况下实现更高功率激光输出.

2 宽谱光纤激光放大器功率提升

为实现多路激光的双色镜合成,首先对合成所需要的光源(多波长高功率光纤激光器)的功率提升进行研究.如图1 所示,单路光源的搭建采用主振荡功率放大(MOPA)结构,由种子级和放大级两部分组成.众所周知,目前高功率光纤激光器的功率提升受限于光纤中的非线性效应和模式不稳定效应(TMI).TMI 效应主要是由于光纤中的热致瑞利散射导致基模(LP01)和高阶模之间的能量耦合,其中最为重要的表象就是输出功率的滞涨和光束质量的退化.为了提升光纤激光器的TMI 阈值,采用中心波长为981 nm 的泵浦源对激光器进行泵浦.与常规976 nm 或者915 nm 泵浦源不同,981 nm 泵浦源通过降低有源光纤单位长度的热负载,能够显著提升光纤激光器的TMI 阈值[20].

图1 光纤激光放大器结构示意图Fig.1.Schematic of the fiber amplifiers.

对于两路合束而言,色谱合束装置中只需要一片双色镜,根据双色镜的透射曲线,两路激光器(Laser 1 和Laser 2)的中心波长选定为1065 nm和1080 nm.如图1 所示,Laser 1 和Laser 2 的激光器结构相同,均采用双向泵浦MOPA 结构.增益光纤为25/400 μm 掺镱双包层光纤(YDF),前后泵浦光分别通过一个(6+1)×1 泵浦/信号合束器(combiner)注入到增益光纤中,合束器的输入输出信号纤为25/400 μm 和25/250 μm,泵浦臂尾纤尺寸为220/242 μm.放大器产生的激光经包层光剥除器(CLS)后从光纤端帽(QBH)输出.对于Laser 1 而言,通过对前后向泵浦功率配比以及增益光纤弯曲半径的优化(最小弯曲半径约为8 cm),实现了4.83 kW 的信号光输出,最高输出功率时的光谱如图2 所示.输出激光的中心波长为1064.24 nm,3 dB 和20 dB 带宽分别为5.27 nm和18.78 nm,最高功率时的受激拉曼散射(SRS)抑制比约为33 dB.最高功率时测得两个方向上的光束质量M2分别约为1.17 和1.28.

图2 两路合束实验中激光器在最高输出功率时的光谱Fig.2.Optical spectra of the fiber amplifiers at the maximum output power for the dual-beam combination experiment.

对于Laser 2 而言,泵浦源和增益光纤同样采用981 nm 半导体激光二极管(LD)和25/400 μm双包层掺镱光纤,利用双向泵浦最高输出功率达到5.35 kW,测得中心波长为1080.3 nm,3 dB 和20 dB 带宽分别为4.61 nm 和19.54 nm,最高功率时的SRS 抑制比为32 dB.最高功率时测试得到光束质量M2分别约为1.29 和1.36.

三路激光合束实验需要用到两片不同的双色镜(见后文图8).考虑到双色镜的透反曲线,在两路激光合束实验的基础上对激光器的中心波长进行调整.三路激光合束实验的光源(Laser 3,Laser 4和Laser 5)的中心波长分别为1050 nm,1069 nm和1085 nm.对于Laser 3 而言,激光的中心波长比较接近镱离子的自发辐射峰,需要特别注意激光器中的自发辐射效应(ASE)和SRS 效应.因此,如图3 所示,为了控制激光器的非线性效应,采用976 nm 稳波长LD 作为泵浦源,从而大幅缩短种子和放大级光纤的长度,并通过采用纯后向泵浦结构设计,以获得较高的TMI 和SRS 阈值.如图4所示,Laser 3 在最高功率3.52 kW 时的中心波长为1050.5 nm,拉曼抑制比约30 dB,3 dB 带宽3.89 nm.最高功率时的光束质量M2约为1.32 和1.21

图3 1050 nm 光纤激光放大器结构示意图Fig.3.Schematic of the 1050 nm fiber amplifier.

图4 三路合束实验中单路激光器最高功率时的光谱Fig.4.Optical spectra of the fiber amplifiers for the threebeam combination experiment.

Laser 4 和Laser 5 沿用了两路合成实验中的光纤放大级,只是对种子进行了更换.Laser 4 在最高功率为4.83 kW 时的光光效率为83.6%,中心波长为1069.7 nm,3 dB 和20 dB 带宽分别为5.42 nm和21.7 nm,最高功率时的SRS 抑制比为31.5 dB.最高功率时测试得到光束质量为1.20/1.21.Laser 5在最高功率为5.33 kW 时的中心波长为1085.7 nm,3 dB 和20 dB 带宽分别为3.44 nm 和20.9 nm,最高功率时的SRS 抑制比为38.5 dB,最高功率时测试得到光束质量M2分别约为1.19 和1.26.

3 两路宽谱激光色谱合束实验研究

两路激光合束实验的实验结构见图5,合束系统包括双色镜(DM),准直器(CO)、光源Laser 1和Laser 2,以及高反镜M1 和M2.装置中,Laser 1输出激光通过准直器(CO)后经M1 反射,并入射到DM 的前表面.双色镜(DM)能够实现对Laser 1激光的高反以及Laser 2 激光的高透,从而实现两路激光的合成.合束后的激光到达M2 后,绝大部分激光被反射,并利用扩束镜对其扩束,扩束后的激光利用功率计进行功率测量.少部分透射的激光利用光束质量测量仪(LQM)对其进行光束质量测量.通过精密调节高反镜和双色镜的反射角度,可以实现两路激光光瞳和光轴的重合,即完成两路激光的合束.

图5 (a)两路激光合束装置示意图和(b)双色镜透射曲线(CL,凹透镜;PM,功率计)Fig.5.(a) Schematic diagram of the dual-beam combining setup;(b) transmission curve of the dichromatic mirror(CL,concave lens;PM,power meter).

实验采用中国科学院光电技术研究所提供的双色镜作为合束镜片.为了降低镜片的热效应,选择高纯度白宝石作为基片,基片的吸收率约为400 ppm(1 ppm=10-6).采用磁控溅射法在基片两面分别镀有高透膜和透反膜.膜系在透射和反射波段的吸收率分别约为200 ppm 和50 ppm.镜片的透过率曲线如图5(b)所示,双色镜的透射截止波长在1079 nm 附近,透过率曲线的陡度(从99%下降至0.1%的光谱宽度)约为11 nm.Laser 1 和Laser 2的中心波长约为1065 nm 和1080 nm.这两个波长对应的透射率分别为0.01%和99.8%.对于Laser 1,一部分位于长波方向的激光由于超过了透射截止波长,这部分激光将会被双色镜反射,而对于Laser 2而言,部分短波的激光成分将会经双色镜透射而泄漏.对于合束系统来说,这两部分激光将作为废光,无法被利用.因此合束系统的合束效率可以定义为

若忽略双色镜的吸收和高反镜的透射等其他损耗,色谱合束系统的合成效率也可写为

其中η为合成效率,Pintput为合束系统注入的激光总功率,Poutput为合束系统输出的总功率,Pleak为合束镜片泄漏的激光总功率.

用于合束的光源为两路自研的5 kW 级近单模光纤激光放大器.其中,Laser 1 和Laser 2 的中心波长分别为1065 nm 和1080 nm,3 dB 线宽分别为5.27 nm 和4.61 nm.两路激光的线性归一化光谱以及双色镜的透射曲线如图5(b)所示.合成后的功率、效率以及光谱如图6 所示,在两路激光输出功率分别为4.83 kW 和5.35 kW 时,合束后输出功率达到10.01 kW,泄漏光功率约为170 W.最高功率时合成效率约为98.3%.如图7 所示,实验测得单路光源以及合束激光的光束质量因子M2分别为1.23,1.33 和1.29.可以看出合束系统保持了输入光源近单模的光束质量特性.

图6 两路合成实验结果 (a)功率与效率;(b)合成输出光谱和光斑Fig.6.Results of the dual-beam combining experiment:(a) Optical power and combining efficiency;(b) output spectrum and beam profile.

图7 两路合束系统中单路(a),(b)和合束后(c)激光的光束质量测量结果Fig.7.Measured beam quality of the (a),(b) fiber amplifiers and the (c) dual-beam combined laser.

4 三路宽谱激光色谱合束实验研究

为验证色谱合束系统的扩展性和功率提升能力,在两路激光色谱合束实验的基础上将合束系统扩展到三路.如图8 所示,合束系统包括双色镜DM1 和DM2,光源Laser 3,Laser 4 和Laser 5,以及高反镜M1,M2 和M3.利用DM1 实现Laser 3和Laser 4 的合成,合成后的激光再利用DM2 实现与Laser 5 的合成.考虑到双色镜透射截止波长以及对合成效率的影响,将Laser 4 的中心波长设置为两条曲线的中间(～1069 nm),短波(Laser 3)和长波(Laser 5)光源的中心波长在两路合成实验的基础上尽量拉开与Laser 4 的距离,确定了单路激光的中心波长分别为1050 nm,1069 nm 和1085 nm.

图8 (a)三路激光合束装置示意图;(b)三路激光光谱以及双色镜的透射曲线Fig.8.(a) Schematic of the three-beam combining setup;(b) beam spectra and transmission curve of the dichromatic mirrors.

当三路激光器满功率输出时,测得的输出功率分别为3.52 kW,4.83 kW 和5.33 kW.如图9 所示,在最高功率时,三路激光器在x和y两个方向上的光束质量分别为1.32/1.21@1050 nm,1.20/1.21@1069 nm 以及1.19/1.26@1085 nm.通过三路色谱合成系统后,最高输出功率为13.52 kW,测得光束质量约为1.50/1.71.三路合成后的光谱和光束质量如图10 所示.此时,两个双色镜泄漏的光功率约为443 W,根据(1)式计算得到合成效率约为96.8%.由于镜片镀膜工艺的限制以及双色镜透反曲线和激光器光谱的不匹配,功率加载过程中,两个合束镜片均存在一定的温升,并在14 min 后接近热平衡.DM1 和DM2 的最高温度分别为35.9 ℃和34.4 ℃.得益于镜片较小的温度梯度(中心-边沿温度差约3 ℃),合成激光在出光的30 min 内光束质量几乎保持不变.

图9 单路激光光束质量测量结果 (a) 1050 nm;(b) 1069 nm;(c) 1085 nmFig.9.Measured beam quality of the pre-combining lasers: (a) 1050 nm;(b) 1069 nm;(c) 1085 nm.

图10 三路合束激光的(a)光谱和(b)光束质量Fig.10.Optical spectrum (a) and beam quality (b) of the three-beam combined laser.

由此可以看出,利用宽谱激光作为光源进行色谱合束能够满足高效合束的需求,且合束后的光束能够保持入射激光高光束质量的特性.虽然在合成路数和合成效率方面,窄谱激光光源具有一定的优势,但由于非线性效应和模式不稳定效应的限制,窄谱光纤激光的功率提升难度要比宽谱激光大得多.因此,利用宽谱激光进行合束可以显著提升合束输出功率的同时大大降低系统研制难度.

进一步提升输出功率的途径主要包括提高单路激光器的功率和增加合成路数.分析认为两者都面临较大的难度.一方面,受限于模式不稳定导致的功率滞涨和非线性效应导致的光谱展宽.另一方面,更多路数的合成给系统的稳定性和可靠性提出了更高的要求.同时新增的短/长波激光在功率提升方面也存在一定难度.但是也可看出,这两种措施是不同维度的举措,可以共同作用.因此,也可认为本方案在提升合成激光输出功率方面还存在较大的空间.

5 结论

本文采用双色镜色谱合成技术,基于两路自研的近单模宽谱光纤激光放大器实现了10 kW 近单模激光合成输出.两路激光的中心波长分别为1065 nm 和1080 nm,合成激光的光束质量因子M2约为1.29,合成效率约为98.3%.在此基础上,本文还探究色谱合成方案的扩展能力,并采用三路自研宽谱光纤激光实现了13.52 kW 合束激光输出,三路激光的中心波长分别为1050 nm,1069 nm 和1085 nm,合成激光的光束质量因子M2约为1.61,合成效率约为96.8%.最高功率时合束镜片温升约为14 ℃.实验结果表明,基于宽谱激光的双色镜合成装置简单、鲁棒性强,无需复杂的控制电路和精密的光学装校,且在保持光束质量不退化的情况下能够实现较高的合成效率.选择宽谱激光作为光源进行合束,也大大降低了对光源研制的要求,提升了合成激光的功率.通过增加合成路数以及提高单路激光器的功率,有望在保持高光束质量的情况下实现更高功率激光输出.