劉家興 劉俠 鐘守東 王健強 張大鵬 王興龍

1) (天津大學精密儀器與光電子工程學院,天津 300072)

2) (珠海光庫科技股份有限公司,珠海 519080)

1 引 言

激光自問世至今,得益于其優(yōu)異的特性,已經(jīng)廣泛應(yīng)用于科研、軍事、工業(yè)、醫(yī)療等各個領(lǐng)域[1,2].其中光纖激光器具有緊湊性好、穩(wěn)定性高、成本低的特點,近年來發(fā)展迅猛.特別是在工業(yè)加工切割領(lǐng)域,高功率光纖激光器大放異彩,使得加工質(zhì)量與效率明顯提高[3–6].隨著工業(yè)加工的需求越來越大,光纖激光器的輸出功率也在不斷突破,從數(shù)百瓦到上千瓦,再到數(shù)千瓦乃至現(xiàn)在的萬瓦級別,為工業(yè)加工提供了更為鋒利的工具[7–13].

局限于光纖的非線性效應(yīng),光纖器件的水平以及激光器的設(shè)計等,光纖激光器輸出功率的進一步提高越發(fā)困難.從激光器系統(tǒng)設(shè)計的角度,激光器的斜率效率、背向漏光以及受激拉曼散射在高功率光纖激光器中尤為重要,這些參數(shù)的最優(yōu)化從一定意義上決定了激光器最終的輸出功率.從單元器件角度,光纖光柵對作為光纖激光器中的關(guān)鍵器件,為激光的振蕩提供了諧振腔,起到了核心的作用.光纖光柵對的參數(shù)設(shè)計與匹配,會直接影響到整個激光系統(tǒng)的性能.

由于抽運光光子和激光光子間的量子虧損,光纖激光器中的斜率效率不可能達到100%,通常的連續(xù)光纖激光器效率低于80%[14,15],其中損耗的能量絕大部分都以熱量的形式耗散,因此熱管理技術(shù)在激光器的設(shè)計中至關(guān)重要,散熱處理從一定意義上可以決定一臺激光器的功率水平.從源頭上考慮,提高斜率效率意味著熱量來源的減少,同等抽運功率下輸出的激光功率也隨之增加.

通常諧振腔內(nèi)振蕩的激光受限于光纖光柵的光譜寬度.一方面,高反光柵的反射率不可能達到全反射,常用的反射率一般大于99%[16],因此會存在不到1%的背向漏光; 另一方面,隨著振蕩激光功率的上升,光纖的非線性效應(yīng)會使振蕩激光的光譜逐漸展寬,當振蕩激光的光譜寬度超過高反光柵的光譜寬度時,超出的部分也會以背向漏光的形式出現(xiàn),而且功率相對較大.現(xiàn)有的光纖激光器方案中[7–9,17,18],抽運激光會經(jīng)過光纖光柵后注入諧振腔內(nèi),腔內(nèi)的背向漏光不可避免會有一部分通過抽運光合束器反饋到各個抽運源中,功率越大,損壞抽運源的風險越高.

受激拉曼散射是指高強度的激光和物質(zhì)分子發(fā)生強烈的相互作用,使散射過程具有受激發(fā)射的性質(zhì),這種散射光是拉曼散射光,該光學效應(yīng)稱受激拉曼散射[19–21].受激拉曼散射表現(xiàn)出閾值特性,是一種三階非線性效應(yīng),當信號激光功率密度達到一定強度時,信號光的光子與介質(zhì)聲子間的相互作用,出現(xiàn)受激拉曼散射峰,圖1所示為受激拉曼散射過程的能級示意圖.受激拉曼散射具有高強度性和好的方向性,它的強度可以達到與入射激光相當,并且發(fā)散角接近,因此在高功率光纖激光器中,受激拉曼散射的出現(xiàn)嚴重影響著激光功率的進一步上升,甚至會導致激光功率的衰減.拉曼增益系數(shù)是描述受激拉曼散射最為重要的參數(shù),它與激發(fā)光(即本文中的信號激光)和受激拉曼散射光的頻率差相關(guān).圖2為當信號光波長為1 μm附近時,熔融石英的歸一化拉曼增益系數(shù)gR與頻率差W的關(guān)系曲線(取信號光與受激拉曼散射光的偏振相同)[19].從拉曼增益譜中可看到,石英光纖在頻率偏移為13 THz附近有一個最強峰,這是由石英玻璃材料本身的非晶體特性決定的.實際上,受激拉曼散射是從產(chǎn)生于整個光纖長度上的自發(fā)拉曼散射建立起來的,如果將整個光纖長度分割為許多微小的長度單位,那么每個單位長度的受激拉曼散射強度都滿足如下關(guān)系:

圖1 受激拉曼散射過程能級示意圖Fig.1.Energy level of the stimulated Raman scattering process.

其中Is為受激拉曼散射光(斯托克斯光)的光強,Ip為抽運光強(即文中的信號光強),as為受激拉曼散射光在光纖中的損耗系數(shù).從(1)式可知,隨著抽運光和受激拉曼散射光的增強,所產(chǎn)生的受激拉曼散射光會進一步增強.也就是隨著信號光在光纖中的傳輸,受激拉曼散射光會不斷增強,且增強的速度隨著自身強度與信號光強度的增加而增加.光纖長度越長,受激拉曼散射光強的總強度也越強.

圖2 當信號光與受激拉曼散射光同偏振時,熔融石英在波長為1 μm附近的歸一化拉曼增益曲線Fig.2.Raman-gain spectrum for fused silica at the pump wavelength of 1 μm.

當在光纖中輸出的受激拉曼散射光功率與信號光功率相等時,把此刻信號光的功率定義為受激拉曼散射閾值,假設(shè)拉曼增益譜為洛倫茲線形,滿足如下關(guān)系:

其中Leff為有效光纖長度,Aeff為有效模場面積.

其中L為光纖長度,αp為光纖對抽運光的損耗系數(shù).

從(2)式可知,拉曼增益系數(shù)越大,有效光纖長度越長、有效模場面積越小,受激拉曼散射閾值也就越低.

圖3為常用光纖激光器的光路結(jié)構(gòu)簡圖,光纖光柵對提供了諧振腔,有源光纖吸收了抽運光,自發(fā)輻射熒光中的一部分通過高反光柵(HR)和低反光柵(OC)的反射得到反饋而形成振蕩.振蕩初期,由于OC的反射帶寬較窄,僅在OC反射帶寬內(nèi)的激光得以在腔內(nèi)振蕩放大,得到激光輸出,此時輸出激光的光譜與OC光譜一致; 隨著功率的上升,光纖的非線性效應(yīng)使得激光的光譜逐漸展寬,輸出激光的光譜也逐漸展寬; 在高功率的情況下,由于較高的激光強度,光纖中的受激拉曼散射出現(xiàn)并逐步增強; 同時,展寬后的激光光譜超過HR的部分會從HR中泄露.受激拉曼散射與背向漏光都會對激光器的斜效率造成影響.因此,在高功率的光纖激光器中,輸出激光的斜率效率、受激拉曼散射、HR背向漏光就成為了限制功率進一步增長的重要因素,如果能得到最優(yōu)參數(shù)的輸出激光,也就意味著所能到達到的功率越大化.

圖3 光纖激光器光路簡圖Fig.3.Diagram of fiber laser.

目前工業(yè)領(lǐng)域常用的高功率連續(xù)光纖激光器中,波長通常為 1080 nm 附近,HR 光纖光柵的帶寬最普遍的為 2 nm,反射率要求 99% 以上; OC的參數(shù)范圍較大,反射率在4%—15%之間.從上述分析中可知,OC的參數(shù)對激光的振蕩與輸出影響更為直接.此前的研究也發(fā)現(xiàn),光纖激光器中OC的參數(shù)對受激拉曼散射的強度影響較大,但是對斜率效率與背向漏光的研究不多[14,22,23].只追求單方面的優(yōu)化往往會對其他方面的參數(shù)造成惡化,例如光譜越寬的輸出光譜能夠有效降低受激拉曼散射的強度,但是過寬的光譜可能會導致背向漏光的急劇上升,限制了激光功率的提高.本文主要采用不同參數(shù)的OC光柵進行匹配研究,針對斜率效率、背向漏光和受激拉曼散射等關(guān)鍵參數(shù),得到光纖光柵對的參數(shù)匹配對激光輸出特性的影響.最后綜合評估與平衡,優(yōu)化光纖光柵對的參數(shù),為提高光纖激光器輸出功率及輸出參數(shù)質(zhì)量提供了參考.此外,在光纖光柵樣品的選取上,以工業(yè)應(yīng)用的光纖激光器中最為普遍使用的參數(shù)為基礎(chǔ),旨在使得研究結(jié)論更具實踐意義.

2 實驗設(shè)計

圖4為實驗光路圖,為我們自行搭建的高功率連續(xù)光纖激光器,其中有源光纖對波長為915 nm抽運光的吸收系數(shù)為 0.4 dB/m,纖芯大小 20 μm,包層大小為 400 μm (Nufern,LMA-YDF-20/400-M),為了保證對抽運光的充分吸收,選用有源光纖的長度為40 m,激光輸出最佳的斜率效率可在70%以上.無源光纖尺寸參數(shù)與有源光纖一致.無源器件全部來源于珠海光庫科技股份有限公司(AFR),其中包括抽運光合束器(HPPC-(18+1)x 1-22-20-20)、光纖光柵 (HPCG-P1500-1080-2-1)、包層光濾除器(CPS-915-SSSS-SS-200-8-Q)、輸出準直器(Dragon-2-1080-020-15-16-S)等.抽運源為一組105/125 μm輸出光纖的光纖耦合半導體激光器(BWT),最高可提供功率共計1400 W、波長為915 nm 的抽運光.從上文的理論分析可知,更長的光纖可以有效提高總的受激拉曼散射功率,為了使得受激拉曼散射效應(yīng)更為明顯,我們在諧振腔內(nèi)熔接了兩段長度為3 m的無源光纖以增加光纖長度,以便在實驗中更容易對比不同條件下的受激拉曼散射差異.但從激光輸出斜率效率看,光纖長度的增加以及額外的熔接點,使得激光腔的損耗更大,導致實驗中所搭建的激光器效率有所降低.激光通過準直器輸出后,再經(jīng)過玻璃片分光(分光比為98∶2)分別由功率計 PM1 (Ophir,5000 W-BB-50-V1)和光譜分析儀OSA(ANDO,AQ6374)測試輸出功率與光譜.背向漏光經(jīng)過合束器后由尾部信號光纖輸出,通過功率計 PM2(Ophir,F150A-BB-26)進行測試,考慮到合束器以及相關(guān)熔接點的插入損耗,實驗中所測得的背向漏光功率比實際偏小,但并不影響實驗結(jié)論.

圖4 高功率連續(xù)光纖激光器實驗光路圖 PC,抽運光合束器; HR,高反光纖光柵; OC,低反光纖光柵; YDF,有源光纖; GDF,無源光纖; CPS,包層光濾除器; QBH,輸出準直頭; G,分光玻璃片; OSA,光譜分析儀; PM1,PM2,光功率計Fig.4.Diagram of high power continue wave fiber laser in experiment.PC,pump combiner; HR,high reflection fiber grating; OC,low reflection fiber grating; YDF,active fiber; GDF,passive fiber; CPS,cladding power stripper; QBH,quartz block head of a fiber optics cable; G,beam splitter; OSA,spectrum analyzer; PM1 and PM2,power meters.

為了探究光柵對參數(shù)的匹配對光纖激光器輸出特性的影響,實驗選取了兩組光柵對樣品,其中每組樣品包括一個 HR (AFR ClearCutTMFBG)和一系列不同參數(shù)的 OC (AFR ClearCutTMFBG).第一組的高反光柵HR中心波長為1080.4 nm,光譜帶寬 (透射譜–13 dB 處)為 2.0 nm,反射率為99%以上,透射譜如圖5(a)所示; OC光譜帶寬(反射譜的半高全寬)分別為 0.78,0.91,1.0,1.31 和 1.61 nm,中心波長和反射率相同,都為1080.4 nm附近以及10%附近,典型反射光譜如圖5(b)所示,為近似平頂型光譜.第二組樣品的高反光柵HR中心波長為1080.4 nm,光譜帶寬為2.0 nm,反射率大于 99%,透射譜如圖6(a)所示;OC 反射率分別為 2.6%,5.2%,10.3% 及 11.6%,中心波長和光譜帶寬相同,都為1080.4 nm附近和1.0 nm,他們的典型反射光譜如圖6(b)所示,反射光譜中帶有尖峰形狀.

3 實驗結(jié)果與分析

3.1 低反光柵光譜帶寬對激光輸出特性的影響

首先采用第一組HR與不同參數(shù)OC的組合,探究OC光譜帶寬對激光輸出特性的影響.分別將不同組合的光柵對接入到光纖激光器系統(tǒng)中,測試輸出功率、背向漏光以及輸出光譜特性.

圖5 第一組光纖光柵光譜圖 (a)為高反光柵透射譜; (b)為低反光柵反射譜Fig.5.Spectra of the first group of fiber gratings: (a) Transmission spectrum of the high reflection grating; (b) reflection spectrum of the low reflection grating.

圖6 第二組光纖光柵光譜圖 (a)為高反光柵透射譜; (b)為低反光柵反射譜Fig.6.Spectra of the second group of fiber gratings: (a) Transmission spectrum of the high reflection grating; (b) reflection spectrum of the low reflection grating.

圖7(a)為不同光譜帶寬的OC對應(yīng)的輸出功率曲線,在同樣的抽運光注入下,其中帶寬為0.78 nm的OC輸出功率最高,達894 W (對應(yīng)的抽運光功率為1296 W),但是不同OC輸出功率差異較小,斜率效率的差異小于1%,可見本文采用的OC光譜帶寬差異范圍對輸出激光的斜率效率影響較小.

圖7(b)為不同光譜帶寬的OC對應(yīng)的背向漏光功率曲線,從中可以明顯發(fā)現(xiàn),在同等條件下,光譜帶寬越寬,背向漏光越強.對于本文中所采用的 HR (光譜帶寬為 2.0 nm),當 OC 的光譜帶寬為 0.78 nm 時,背向漏光最小,最高為 2.82 W; 隨著光譜帶寬的增加,分別為 0.91,1.0 及 1.31 nm時,背向漏光增強,但是相互之間功率差別不明顯;當光譜帶寬增加到1.63 nm時,背向漏光明顯增強,在抽運光功率為774 W時已經(jīng)高達11.6 W,嚴重影響激光器的正常運轉(zhuǎn).從產(chǎn)生機理上,背向漏光的主要來源為輸出激光光譜展寬后超出HR的部分.當OC的光譜帶寬較窄時,輸出激光的光譜較窄,展寬后超過HR的部分很小,因此背向漏光較小; 當OC的光譜帶寬增加到一定寬度后,輸出激光的光譜較寬,已經(jīng)接近HR光譜帶寬,隨著功率的增加,光譜不斷展寬,超出HR的部分明顯增多,因此背向漏光會急劇增加.

圖7 不同光譜帶寬低反光柵激光輸出特性 (a) 輸出功率曲線; (b) 背向漏光曲線Fig.7.Output characteristics of the fiber laser with low reflection gratings of different bandwidth: (a) Output power curve;(b) backward leaked power curve.

圖8 不同光譜寬度的低反光柵輸出光譜特性 (a)低反光柵光譜寬度為 0.78 nm; (b) 低反光柵光譜寬度為 0.91 nm; (c) 低反光柵光譜寬度為 1.0 nm; (d) 低反光柵光譜寬度為 1.31 nmFig.8.Spectra of output laser with low reflection gratings of different bandwidth: (a) 0.78 nm bandwidth; (b) 0.91 nm bandwidth;(c) 1.0 nm bandwidth; (d) 1.31 nm bandwidth.

由于光譜帶寬為1.63 nm的OC樣品背向漏光過大,導致無法輸出高功率,因此沒有采集其光譜數(shù)據(jù).其他不同組合的輸出激光光譜特性如圖8所示.隨著輸出功率的不斷增加,輸出激光的光譜逐步展寬,當輸出激光功率在700 W附近時,可以觀察到在1135 nm附近受激拉曼散射峰出現(xiàn),同時受激拉曼散射峰的強度隨著輸出功率的增加而增強.對比不同光譜帶寬的 OC,可以明顯發(fā)現(xiàn),光譜帶寬較寬的OC與HR組合,受激拉曼散射峰出現(xiàn)的閾值功率較高,且在同樣的輸出功率下,激光輸出峰與受激拉曼散射峰的對比度較高.圖9所示是當激光輸出功率為840 W時,不同光譜帶寬OC的組合對應(yīng)的光譜特性圖,可以看出,隨著光譜帶寬的增加,受激拉曼散射強度降低,即對比度提高.從受激拉曼散射產(chǎn)生的機理分析,結(jié)合上文的理論公式(1)式—(3)式可以知道,當信號激光的光譜增寬時,偏移拉曼增益曲線中最大值的部分就增多,意味著有效拉曼增益減小; 從本文測試的結(jié)果看,信號激光與受激拉曼散射光的頻率差在拉曼增益譜15 THz附近的尖峰位置處,該峰值寬度較窄(小于1 THz),偏離峰值的部分拉曼增益迅速降低.因此,隨著 OC光譜帶寬的增加,振蕩激光的帶寬增加,光譜分布更寬,有效的拉曼增益減小,因此受激拉曼散射閾值也就更高,最終同等輸出功率下的強度較弱.綜合以上測試結(jié)果,可知OC光譜帶寬對激光輸出特性的影響.

圖9 同等輸出功率 (840 W)下,不同光譜寬度的低反光柵受激拉曼散射峰對比圖Fig.9.Stimulated Raman scattering of low reflection gratings with different bandwidth at the output power of 840 W.

對于輸出激光的斜率效率,結(jié)果反映出光譜帶寬對斜率效率的影響不明顯,最終激光器輸出的功率差異不大.從背向漏光功率看,光譜帶寬的差異影響較明顯,帶寬越寬背向漏光越明顯,具體原因在前文已經(jīng)分析過.而對于受激拉曼散射,恰恰與對背向漏光的影響相反,更寬的光譜使得受激拉曼散射產(chǎn)生的閾值更高,從而強度更低,實驗的結(jié)果與理論分析相符.從改變OC的光譜帶寬角度,背向漏光與受激拉曼散射為一對矛盾點,想要獲得綜合性能高的激光輸出特性,需要根據(jù)實際選取合理的HR與OC的光譜帶寬,以得到較小的背向漏光以及相對低的受激拉曼散射強度.從本文選取的參數(shù)看,對于光譜帶寬為 2.0 nm 的 HR,OC 可以選取1.0—1.3 nm帶寬的參數(shù)進行匹配,這樣在千瓦級光纖激光器中可以得到綜合參數(shù)較好的激光輸出.

3.2 低反光柵反射率對激光輸出特性的影響

接著采用第二組HR與OC的組合,探究OC反射率對激光輸出特性的影響.同樣地,分別將不同組合的光柵對接入到光纖激光器系統(tǒng)中,測試輸出功率、背向漏光以及輸出光譜特性.

圖10(a)為不同反射率的OC對應(yīng)的輸出功率曲線,在同樣的抽運光注入下,其中反射率為5.2%的OC輸出功率最高,反射率為10.3%的OC輸出功率最低,但是不同OC輸出功率差異較小,對應(yīng)斜率效率的差異也在1%附近,可見本文采用的OC的反射率差異范圍對輸出激光的斜率效率影響較小.理論上模擬分析[14,24,25]發(fā)現(xiàn)存在最優(yōu)反射率,從本文結(jié)論上看,在5%附近,我們在后續(xù)的工作中將會針對該問題深入模擬分析.

圖10(b)為不同反射率的OC對應(yīng)的背向漏光功率曲線,從中可以明顯發(fā)現(xiàn),在同等條件下,反射率越高,背向漏光越強.當OC的反射率為2.6%時,背向漏光最小,最高時為 2.72 W; 隨著反射率的增加,分別為 5.2%,10.3% 及 11.6% 時,背向漏光逐漸增強.分析產(chǎn)生的原因后,我們認為該背向漏光的差異主要來源于諧振腔內(nèi)激光功率的不同.在輸出功率相當?shù)那闆r下,當OC的反射率較大時,諧振腔內(nèi)激光的功率對應(yīng)較大,在高反光柵反射率不變的條件下背向漏光則較大; 反之較小.

為了進一步探究背向漏光的產(chǎn)生原因,我們測試了光譜帶寬為1 nm,反射率為10%附近的OC樣品在輸出功率為840 W時所產(chǎn)生的背向漏光光譜,結(jié)果如圖11所示.從圖中可以看到,背向漏光的光譜包括信號光部分與受激拉曼散射光部分,主要功率來源于信號光.其中,信號光部分的光譜除了主峰之外,存在一個相對平坦的光譜,我們認為該部分平坦光譜的成分主要來源于腔內(nèi)激光超過HR帶寬的部分,而主峰主要來源于HR本身的透射率.因此,對于同樣反射率而不同帶寬的OC組合,背向漏光的差異主要來源于光譜展寬; 對于同樣帶寬而不同反射率的OC組合,背向漏光的差異則主要來源于HR本身的透射率.

同理,對于不同OC反射率組合,測試了對應(yīng)的輸出激光光譜特性,結(jié)果如圖12所示.與第一組的實驗類似,隨著輸出功率的不斷增加,輸出激光的光譜逐步展寬,且當輸出功率在700 W附近時,可以觀察到在1135 nm附近受激拉曼散射峰的出現(xiàn),同時受激拉曼散射峰的強度隨著輸出功率的增加而提高.對比不同反射率的OC可以發(fā)現(xiàn),反射率較低的OC與HR組合,受激拉曼散射峰的強度稍低,即對比度稍高,但是并不明顯.最后在激光輸出功率為840 W下,測試了不同反射率OC的組合對應(yīng)的光譜特性圖,結(jié)果如圖13所示,OC的反射率對受激拉曼散射的影響不敏感,反射率較低的OC相對有優(yōu)勢.我們認為這種實驗結(jié)果也符合理論預(yù)期,與背向漏光的結(jié)論一樣,主要來源于諧振腔內(nèi)激光的功率,而受激拉曼散射的強度與諧振腔內(nèi)激光的強度密切相關(guān),因此而對于反射率較低的OC,其腔內(nèi)激光的功率相對低,同樣的輸出功率下,受激拉曼散射的強度也就相對低,對比度也就越高.但是對于反射率為2.6%的OC,我們發(fā)現(xiàn)其受激拉曼散射強度并非最低,具體原因有待進一步分析確認,我們初步認為存在影響受激拉曼散射產(chǎn)生的其他因素,例如光柵光譜形狀的差異以及其他未知因素等.

圖12 不同反射率的低反光柵輸出光譜特性 (a) 反射率為 2.6%; (b) 反射率為 5.2%; (c) 反射率為 10.3%; (d) 反射率為 11.6%Fig.12.Spectra of output laser with low reflection gratings of different reflectivity: (a) 2.6%; (b) 5.2%; (c) 10.3%; (d) 11.6%.

圖13 同等輸出功率水平下 (840 W),不同反射率的低反光柵受激拉曼散射效應(yīng)對比圖Fig.13.Stimulated Raman scattering of low reflection gratings with different reflectivity at the output power of 840 W.

為此,選取另外一支低反光纖光柵,其反射率為2.5%,光譜帶寬為1 nm,但是具有不同于上述實驗OC的光譜,如圖14(a)所示.采用該OC與上述實驗的HR進行搭配,在輸出功率同樣為840 W時,測試了輸出激光的光譜,結(jié)果如圖14(b)所示.結(jié)果顯示,輸出激光的受激拉曼散射強度明顯降低.我們認為,該結(jié)果的差異并非由于反射率與帶寬的不同,而是來源于光柵光譜形狀的差異等其他未知因素,我們將會在后續(xù)的工作中深入研究.綜合以上測試結(jié)果可知不同OC反射率對于激光輸出特性的影響.

對于輸出激光的斜率效率,結(jié)果反映,反射率對斜率效率影響同樣不明顯,最終激光器輸出的功率差異不大.從背向漏光功率看,反射率較高的OC背向漏光更明顯.對于受激拉曼散射,反射率較低的OC使得受激拉曼散射強度更低,但是實驗中發(fā)現(xiàn)存在影響受激拉曼散射產(chǎn)生的其他因素,使得反射率最低的光柵組合與趨勢不符.從該組對比實驗結(jié)果看,通過降低OC的反射率,可以有效降低背向漏光.但是過低的反射率會影響激光斜率效率,當小于最優(yōu)反射率時效率會出現(xiàn)逐步衰減[14,24,25];此外,從光柵制備以及穩(wěn)定性的角度看,過低的反射率可能會對OC的長期穩(wěn)定性有所影響,例如在高溫環(huán)境中長期運行,光柵的深度可能會存在逐步減弱的風險[16,26].因此,在實際使用中需根據(jù)光柵的使用環(huán)境以及光纖激光器的工作條件,采用適當反射率的OC,以得到綜合性能最優(yōu)的激光輸出特性.

圖14 (a) 反射率為 2.5%,光譜帶寬為 1.0 nm 的 OC 光譜圖; (b)輸出功率為840 W時的輸出激光光譜圖Fig.14.(a) Reflection spectrum of the OC of 2.5% reflectivity and 1.0 nm bandwidth; (b) spectrum of the output laser at the output power of 840 W.

4 總結(jié)與展望

斜率效率、背向漏光以及受激拉曼散射是在高功率連續(xù)光纖激光器系統(tǒng)設(shè)計中較為關(guān)心的輸出特性參數(shù).光纖光柵對作為光纖激光器中的關(guān)鍵器件,為激光的振蕩提供了諧振腔,起到了核心的作用.光纖光柵對的參數(shù)設(shè)計與匹配,會直接影響到整個激光系統(tǒng)的性能.本文旨在探究光纖光柵對的參數(shù)匹配對激光輸出特性的影響,先是通過理論分析分別闡述了斜率效率、背向漏光以及受激拉曼散射的來源與相互關(guān)系; 然后通過實驗設(shè)計,采取了兩組不同參數(shù)光纖光柵對組合,從實驗上分別探究了低反光柵光譜帶寬以及反射率對激光輸出特性的影響.

在高反光柵參數(shù)不變的條件下,輸出激光的斜率效率對低反光柵的光譜帶寬與反射率變化并不敏感,沒有表現(xiàn)出明顯的變化趨勢.僅考慮背向漏光的特性,光譜帶寬較窄、反射率較低的低反光柵可以有效降低背向漏光的強度,從而有效降低對抽運激光的影響,有利于輸出功率的進一步提高與系統(tǒng)的安全性.但是,在同等輸出功率下,光譜帶寬較窄的低反光柵會導致輸出激光的受激拉曼散射強度明顯提高,即對比度明顯降低; 而反射率較低的低反光柵雖然對受激拉曼散射強度的降低有好處,然而過低的反射率會影響激光斜率效率,當小于最優(yōu)反射率時效率會出現(xiàn)逐步衰減,而且過低的反射率存在影響光柵長期穩(wěn)定性的不利風險.在后續(xù)的工作中,我們將從理論模擬角度分析最優(yōu)OC反射率的數(shù)值,針對特定激光系統(tǒng)提供更有力的理論設(shè)計基礎(chǔ).綜合上述因素的影響,我們認為在高功率光纖激光器設(shè)計時,在背向漏光功率處于安全范圍內(nèi)時,建議采用光譜帶寬適當較寬的低反光柵,以及在保證光柵穩(wěn)定性和激光器斜率效率的基礎(chǔ)上選擇反射率相對低的低反光柵,這樣可以得到綜合性能相對好的激光輸出.

此外,在實驗中發(fā)現(xiàn),光纖光柵光譜的形狀影響受激拉曼散射的因素之一.通過對比兩組實驗結(jié)果發(fā)現(xiàn),光譜形狀相對平滑的第一組樣品,在同等激光輸出功率的情況下,受激拉曼散射強度明顯比較低.根據(jù)(1)式—(3)式,光譜形狀中若存在尖峰部分,那么振蕩激光的光譜更為集中,受激拉曼散射增益強的頻率成分較高,受激拉曼散射閾值也就相對低,總的強度較強; 如果光譜較為平滑,分布如平頂型,那么激光的頻率成分相對平坦,受激拉曼散射增益峰值處的頻率成分相對較少,受激拉曼散射閾值也就相對高,總的強度較弱.為此本文進行了初步的驗證實驗,結(jié)果符合預(yù)期.我們相信,優(yōu)化光纖光柵對的光譜特性及其相互間的配合,具備有效降低受激拉曼散射強度的潛在應(yīng)用.我們將會在接下來的工作中對該問題進行針對性研究.

高功率光纖激光器的激光輸出特性優(yōu)化,對進一步提高光纖激光器的輸出功率以及實際應(yīng)用中的切割、加工質(zhì)量具有重要意義.本文的研究能為高功率光纖激光器的設(shè)計工作提供有效的理論支持與參考.