基于GTWave技術的脈沖光纖激光器

趙治國，申向偉，吳中超，王大貴，王曉新，王智林，何曉亮

(1.中國電子科技網(wǎng)絡信息安全有限公司，四川 成都610041；2.中國電子科技集團公司第二十六研究所, 重慶 400060)

0 引言

光纖激光器具有體積及質量小，光束質量好，泵浦轉化效率高，維護簡單等優(yōu)點，在國防、醫(yī)療、通信、工業(yè)加工等相關領域應用廣泛，成為激光器產業(yè)的主導力量[1-5]。隨著光纖激光應用領域的不斷拓展，人們對激光器單脈沖能量、峰值功率的要求越來越高。但高單脈沖能量和峰值功率的激光輸出會導致纖芯的功率密度過高，易引起受激布里淵散射(SBS)、受激拉曼散射(SRS)等非線性效應，產生峰值功率過高的窄脈沖，燒毀光纖。傳統(tǒng)方式是采用增大光纖的有效模場面積來降低纖芯的功率密度，但此方法一方面會激發(fā)光纖的高階模，惡化激光器輸出的光束質量，另一方面會提高光纖激光器的成本，降低其市場競爭力。Sakai J、Limpert J等[6-7]通過降低光纖纖芯的數(shù)值孔徑，結合增大模場面積來抑制非線性效應，實現(xiàn)單模高能量輸出。但此方法受普通光纖材料的限制，數(shù)值孔徑只能降低到0.05左右，而數(shù)值孔徑過低會使彎曲損耗過高。

本文利用增益/泵浦一體化光纖(GTWave)側面泵浦耦合技術，增加了泵浦光和增益光纖的耦合長度，降低了單纖傳輸?shù)墓β拭芏?，在不增加彎曲損耗和降低光束質量的基礎上，提高了承受的單脈沖能量和峰值功率，最后實現(xiàn)了波長1 064 nm、單脈沖能量2.459 mJ、峰值功率10 kW、光束質量1.15的脈沖激光器。其在工業(yè)加工、醫(yī)療等領域具有廣闊的應用前景。

1 泵浦耦合技術

雙包層光纖激光器的泵浦耦合技術是將高亮度的半導體激光耦合到雙包層光纖的內包層中。主要有端面泵浦耦合技術和側面泵浦耦合技術。端面泵浦耦合主要采用透鏡耦合和直接熔融耦合兩種方式，如圖1所示。

圖1 端面泵浦耦合技術

透鏡耦合效率為60%～70%，但操作復雜，穩(wěn)定性差。直接熔融耦合效率可達90%，但耦合數(shù)量和耦合結構受限，且當注入泵浦功率過高時，光纖端面易被燒壞。

側面泵浦耦合技術主要有嵌入透鏡式[8]、V型槽式[9]、側面熔接式[10]、反射光柵式[11]和GTWave式[12]。

圖2為嵌入透鏡式側面泵浦耦合技術。該方式在雙包層光纖內包層上刻一個小槽，然后嵌入反射鏡，最大耦合效率可達80%。但由于使用了光學膠，因而耦合功率受限。

圖2 嵌入透鏡式側面泵浦耦合技術

圖3為V型槽式側面泵浦耦合技術。在雙包層光纖側面加工一個V型槽，耦合效率可達80%，但該方式對光纖加工工藝要求高，承受光功率和系統(tǒng)穩(wěn)定性受限。

圖3 V型槽式側面泵浦耦合技術

圖4為側面熔接式側面泵浦耦合技術。將信號光纖和泵浦光纖去掉涂覆層，然后熔融拉錐，將泵浦耦合進信號光，耦合效率可達90%，是目前高功率光纖激光器主流方式，但該方式耦合效率與拉錐長度、角度、深度等多種因素有關，且泵浦注入位置單一，所以光纖纖芯傳輸和包層瞬間傳輸?shù)墓β拭芏群艽?。光纖傳輸?shù)膯蚊}沖能量受限。

圖4 側面熔接式側面泵浦耦合技術

圖5為反射光柵式側面泵浦耦合技術。該方式剝離掉信號光纖的涂覆層，不用破壞光纖的包層，但耦合效率和入射光的偏振性有關，且該方式采用了光學膠，耦合泵浦光功率受限。

圖5 反射光柵式側面泵浦耦合技術

圖6為GTWave側面泵浦耦合技術。該方式采用無包層泵浦光纖和單包層的信號光纖平行排列。兩根光纖在光學上相連，在物理上分量。由于泵浦光纖中的泵浦光光場可作用到信號光纖中，從而實現(xiàn)了泵浦光的耦合，且這種耦合的耦合長度長，是緩慢和漸進式的耦合，一方面可將泵浦產生的熱量分散，提高光纖穩(wěn)定性，另一方面降低了瞬間泵浦注入功率密度，提高光纖承受的單脈沖能量和峰值功率。耦合效率可達90%，是制作高功率激光器的理想選擇。

圖6 GTWave式側面泵浦耦合技術

2 激光器的搭建和測試結果

本文采用中國電科天之星激光技術有限公司拉制的25/250 GTWave光纖，其光纖端面如圖7所示。由圖可看出，該光纖泵浦纖纖芯直徑為?253.56 μm，無包層光纖。信號光纖纖芯直徑為?25.56 μm，包層直徑為?257.12 μm。實驗中，泵浦光纖為105 μm /125 μm光纖，信號輸出光纖為10 μm /125 μm雙包層光纖。在信號光纖及泵浦光纖輸入/輸出處采用模場匹配，系統(tǒng)結構如圖8所示。

圖7 GTWave光纖端面圖

圖8 系統(tǒng)結構圖

通過控制輸入泵浦光功率和種子源信號光的脈沖寬度及功率，在重復頻率10 kHz的情況下得到了單脈沖能量2.459 mJ的脈沖激光輸出，測試結果如圖9所示。

圖9 測試結果圖

由圖9(a)可看出，輸出平均功率隨著泵浦功率增加而逐漸增加，GTWave增益光纖的增益未達到飽和，轉化效率為41%，最后得到了24.59 W的功率輸出。由圖9(b)可看出，激光器輸出的單脈沖能量也隨著泵浦功率的增加而增加，趨勢和圖9(a)一致，單脈沖能量最高為2.459 mJ，比傳統(tǒng)的30/250/400雙包層光纖采用側面熔接式側面泵浦耦合的方式高2.4倍。由圖9(c)可看出，隨著泵浦功率的增加，激光器輸出的峰值功率先增加，再飽和。飽和峰值功率約為10 kW。這是由于隨著泵浦功率的增加，激光器的脈沖寬度不斷展寬。比較圖9(a)～(c)可知，該光纖的輸出功率和單脈沖能量還有提升空間，而峰值功率最大穩(wěn)定約為10 kW，可通過提高種子源脈沖寬度及增加注入泵浦的方式來得到高單脈沖能量和高平均功率的脈沖輸出。

3 結束語

本文采用中國電科天之星激光技術有限公司拉制的25/250 GTWave光纖，制作了輸出脈沖單脈沖能量2.459 mJ、峰值功率10 kW的脈沖光纖激光器。分析了峰值功率恒定時提高該激光器平均功率和單脈沖能量的方式。對高單脈沖能量脈沖激光器的研制提供了一定的理論和實驗基礎。