高效率掺Tm^3 双包层光纤及光纤激光器的研制.pdf

物理学报Acta Phys．Sin．Vo1．63，No．1(2014)014209 高效率掺Tm3+双包层光纤及光纤激光器的研制冰 邢颍滨 叶宝圆 蒋作文 戴能利 李进延十 (武汉光电国家实验室(筹)，武汉430074) (2013年8月10日收到；2013年9月17日收到修改稿) 掺Tm光纤激光器有着广泛的应用前景，而掺Tm光纤是其核心与关键．本文采用改进的化学汽相 沉积(MCVD)工艺和气相液相复合掺杂技术，在MCVD机车上实现了掺Tm石英光纤预制棒的制备，并 制备了掺Tm石英双包层光纤(芯包比为10／125)．利用上述光纤搭建直腔型全光纤激光器，在波长为793 nm的LD抽运下，获得激光光谱中心波长为2002 nm，最大的激光输出功率30．7 W，光纤斜率效率为59．32％． 关键词：掺Tm双包层光纤，掺Tm光纤激光器，斜率效率 PACS：42．81．Bm，42．55．wd，42．55．xi，42．81．Cn DOh 10．7498／aps．63．014209 1 弓I 言 近年来光纤激光器在军事、工业加工、光通信 等应用领域发展非常迅猛，凭借着其转换效率高、 散热性能好、光束质量优良、可调谐范围大、稳定性 良好等优点逐渐取代传统固体激光器【 ， ．由于掺 Tm 光纤激光器所发射的2“m波段激光处于水 分子吸收峰且对人眼安全，再加上掺Tm3+光纤激 光器的抽运源(793 nm半导体激光器1应用已经非 常成熟，所以它在生物医学、医疗手术、工业加工、 军事等方向有着广泛的应用前景，拓宽了光纤激光 器的应用范围．此外大气雷达探测的应用需要可靠 的2 m波段激光【3]．而且2 m激光又是3—5 m 光参量振荡的有效抽运源 ]，因此，越来越来多的 注意力被吸引到掺Tm3+光纤和掺Tm3+光纤激光 器的研究领域中． 最近几年国内外掺Tm3+光纤激光器发展很 快，在连续激光和脉冲激光都取得非常大的成 果[6--13J．2009年Northorp Grumman公司报道 一种低相位噪声、单模、单频TDF激光器，采用 25／400的双包层TDF，输出功率为608 W，中心 波长2040 nm，线宽小于5 MHz，激光光束质量 M0<1．05士0．03，这是目前最高功率的单模、单 频光纤激光器【7J．2010年Q—peak公司Moulton等 人利用MOPA技术，采用20／400的TDF，实现了 大于l kW的连续单模激光输出，中心波长为2045 nm，斜率效率达到53．2％，这是目前报道的TDF 激光器最高的输出功率[6]．国内2010年上海光机 所报道了100 W级的高功率增益开关TDF激光 器【12_，西安光机所报道一种高功率可调谐的2 um 波段光纤激光器，波长范围为1821--1930 nm，连续 激光功率输出达60．8 W，斜率效率为46％[6】．2009 年北京交通大学报道一种采用”湿法”f液相1掺杂 方法的国产掺Tm3+光纤，并获得了工作波长1947 nm、功率2．05 W的激光输出【1o]．2012年哈尔滨 工业大学报道一种对双包层大芯径光纤光栅反射 率和纤芯折射率调制估算的方法，制成光纤光栅， 应用到全光纤化掺Tm3+光纤激光器，得到l5．5 w 的1950．3 nlTI激光输出，斜率效率为37．9％[11】． 国内的光纤激光器的输出功率和斜率效率都 不高，这极大程度上要归结于掺Tm3+光纤的性能 不良．掺Tm3+光纤是激光器中最核心的材料，其 制备技术仅掌握在国外少数几家公司手中，由于涉 及到军事领域的应用，掺Tm3+光纤的制备技术国 产化是非常有必要的． }国家高技术研究发展计划(批准号：2013AA031501)和武汉光电国家实验室主任基金资助的课题 十通讯作者．E-mail：ljy@mail．hust．edu．an ◎2014中国物理学会Chinese Physical Society 014209—1 ^ttp：／／wulixb． hy．ac．c礼 物理学报Acta Phys．Sin．Vo1．63，No．1(2014)014209 本文利用气相一液相复合掺杂的方法，制备了 掺Tin3+双包层光纤的过程，光纤纤芯直径10 m， 数值孔径0．14；内包层直径125 m，数值孔径0．46， 横截面为八边形．并用上述光纤搭建掺Tm0+光纤 激光器，利用793nmLD作为抽运源，进行了光纤长 度优化、激光光谱采集、激光输出功测试率等试验． 最后获得2002 nm左右的激光输出，最大输出功率 30．7 W，光纤斜率效率59．32％． 2掺Tm3+双包层光纤的制备 制备掺Tm3+光纤预制棒可采用液相掺杂或 气相掺杂的方法，但在传统的稀土离子的掺杂方 法中，由丁受到实验审环境和工艺，存在一些问题， 比如Tm3+掺杂浓度 高，如果掺杂掺杂浓度过大， 容易发生浓度猝灭甚至析晶；Tm3+掺杂浓度不均 匀影响光纤的激光性能等等．此次试验中我们采用 气相一液相复合掺杂技术进行Tm3+的掺杂．这种 新型的掺杂技术可充分解决传统掺杂技术所存在 的各种问题． 掺Tm0+纤预制棒制成后，为了提供高抽运光 吸收率，将预制棒进行打磨加工，其横截面为正八 边形．最后一步，将掺Tm3+预制棒置于拉丝塔上， 在约2100。

C下进行拉丝，拉丝速率在10 m／min 左右，经过低折射率涂层和高折射率保护层的涂 覆，最终制成掺Tm3+双包层光纤，图1为掺Tm0+ 双包层光纤截面图． 陶1掺Tm3+双包层光纤截面图 实验中利用PK2600对这根掺Tm0+光纤预制 棒进行测试，折射率剖面图如图2． 图中横坐标4-1处，折射率曲线波动很明显，这 是因为在几趟缩棒过程中，前一趟的缩棒会导致P 挥发致使折射率下降，后一趟的缩棒又有新的P的 沉积，折射率回升，重复此过程，折射率出现波动的 现象． 图2 气相一液相复合掺杂(Tm)光纤预制棒折射率剖 面图 3实验结果与分析 石英基质玻璃中的Tm3+在600--1800 nm波 段有四个明显的吸收峰[14]，实验中选取793 nm附 近波段的激光作为掺Tm3+全光纤激光器的抽运 光，一方面793 nm光源f半导体激光器)的应用技 术成熟，另一方面Tm3+对793 nm附近波段有较 强的吸收效应，而且此种抽运会引起交叉弛豫过 程，理论量子效率为200％，大幅度提升激光器斜率 效率，原理分析如下：0醌能级上的一个Tm3+被 793 nm抽运光激发到0凰能级，然后无辐射跃迁 到激光上能级f0F4)，同时它释放的能量被邻近的 一个处于基态的Tm3+吸收，跃迁到0F4能级，最 终两个Tm3+都处在激光上能级，此过程量子效率 为2． J I ＼交叉弛豫 1 ，＼ I 2 -m抽运 —-————● 、 1 1 r 图3 Tm3+在硅基光纤中交叉弛豫简化能级图 3．1掺Tm3+全光纤激光器激光实验 作为掺Tm。

光纤激光器的增益介质， 掺Tm光纤的长度存在最佳值，且处于最佳值 时，斜率效率最大．搭建激光器之前进行了光纤长 物理学报Acta Phys．Sin．Vo1．63，No．1(2014)014209 度优化实验，为了减小由于操作或者光纤端面引起 的误差，被测试光纤的入光端面固定不，而且优化 光纤长度过程中所作光纤端面标准一致．最后测得 数据如图4所示． 静 较 料 臻 ≥ ＼ 埒 楚 图4 光纤长度和斜率效率关系图 从图4可以看出，4．5 m为光纤的最佳长度．当 长度小于4．5 m时，抽运光没有被最大限度的吸收， 斜率效率没达到最佳．当长度大于4．5 m时，产生 激光又会被再度吸收，导致激光输出功率损耗，斜 率效率降低．实验中，我们测了三组光谱，对于6．5 m光纤输出波长2004 nm，5 m光纤输出波长2003 nm，4．5 m光纤输出波长2002 nm，发现随着光纤长 度的不断缩短，激光的中心波长发生蓝移，这是因 为石英光纤中存在的OH一离子对2 pm左右的波 段的激光强烈吸收作用，1．93 m为其吸收峰[15]， 光纤长度越长，对靠近1．93 pm的激光吸收越强烈， 因此长波长激光更容易形成激光振荡输出．可见， 当激光波长大于1．93 um时，改变光纤的长度，选 择合适参数的FBG(光纤布拉格光栅1可以作为控 制掺Tm0+激光器输出波长的方法．增加光纤长 度，增大相应FBG反射中心波长和透射波长，可得 长波长激光，反之得到短波长激光． 取上述4．5 m掺Tin3+光纤搭建全光纤激光 器，示意图如图5所示． 图5掺Tm3+全光纤激光器结构图 图6 LD功率和激光功率关系图 抽运源：采用商用793 nm半导体激光器，数量 6个，单个最大功率输出12 W．合束器：采用7×1 合束器．激光器谐振腔：谐振腔由高反FBG、掺 铥光纤和低反FBG组成．高反FBG反射中心波 长2000．010 nm，带宽2．008 nm，反射率99．926％； 低反FBG透射中心波长1999．990 nm，带宽1．013 nm，反射率8．799％． 实验结果如图6和图7． ≥ ＼ 婚 裁 图7 入纤功率和激光功率关系图 得出光纤激光器的斜率效率为47．62％，最大 l {’ 物理学报Acta Phys．Sin．Vo1．63，No．1(2014)014209 输出功率为26．7 W，实验中为了保护器件，LD电 流最大只升到2．0 A，预计LD满功率运行时，功率 能到达38 W以上． 由图7可以看出由两个FBG和掺Tm3+光纤 组成系统的效率为52．26％，大于激光器的斜率效 率，可见LD、合束器和FBG插入损耗和光纤熔接 损耗较大，降低插入损耗和熔接损耗是提高整体斜 率效率的关键． 实验中，当LD功率为21．93 W时进行了激光 光谱的采集，如图8．中心波长为2001．4 nm，半高 宽为3．682 nm． 趔 Ⅱ 坦 1994 1996 1998 2000 2002 2004 2006 2008 2010 波长／rim 图8掺铥光纤激光器激光光谱 3．2最大功率输出和斜率效率探究实验 对于光抽运激光器，激光器斜率效率记为 叩= PL， (1) PI 为激光输出功率，Pp为光抽运功率．当抽运功 率不变时，激光器斜率效率正比于激光输出功率． 在光纤激光器中如果谐振腔的后腔镜对激光 波长反射率越高，那么激光在谐振腔内往返的次数 就越多，导致光纤对激光的传输损耗增加，使得输 出激光功率下，又由上面实验可知FBG存在插入 损耗，因此为了探究最大激光功率输出和大功率下 光纤的斜率效率 对上述激光器谐振腔进行改进， 采用由FBG一掺铥光纤．光纤端面结构，此激光器的 结构仅是去除了第一个激光器的低反光栅，因此 LD功率和入纤功率几乎没有变化，仅激光输出功 率发生变化．实验结果如图9和图10． 激光器斜率效率为54．02％，最大激光输出功 率30．7 W(LD电流2．0 A)，明显高于第～个激光器 的激光功率输出，预计LD满功率运行，功率可以 到达40 W以上，可见低反光FBG折射率的选择很 重要，对于反射率不一定越高或越低就越好，存在 一个最佳反射率使得所需的激光输出最大． 图9 LD功率和激光功率关系图 图10入纤功率和激光功率关系图 由图10可知光纤斜率效率为59．32％，这与之 前光纤优化实验中测得光纤斜率效率62．39％基本 一致，在误差允许范围之内，由此可见此次采用气 相液相复合掺杂工艺制备的掺Tm0+光纤可承受 大功率激光，并且性能稳定． j四 Ⅱ 坦 1994 1996 1998 2000 2002 2004 2006 2008 2010 2012 波长／nm 图11 改进的光纤激光器激光光谱 ^^_／将 翅 ≥_／龄罨 裁 物理学报Acta Phys．Sin．Vo1．63，No．1(2014)014209 最后进行了激光光谱的采集，光谱如图11．中 心波长2002 nm，半高宽3．926 nm． 4结 论 针对提高掺Tm3+光纤和光纤激光器效率的 要求，采用气相一液相复合掺杂。