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高功率超窄線寬光纖激光技術

文章來源:《強激光與粒子束》編輯部   時間:2020-03-30 訪問數:

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高功率全光纖激光器具有效率高、緊湊、光束質量優異和環境適應性強等優點,在國防光電對抗等領域具有廣闊的應用前景。近幾年光纖材料、器件和系統集成技術不斷取得新的進展和突破,單纖激光已實現近20 kW輸出。但受限于非線性效應、光損傷和熱效應等問題,進一步提升單纖激光輸出功率和亮度面臨極大的技術挑戰。因此采用多纖高效優質合成技術路線成為進一步提升光纖激光輸出功率和亮度的普遍共識。

超窄線寬光纖激光技術是支撐多纖高效優質合成激光光源快速發展的一項核心關鍵技術。為了滿足高效能、實用化多纖合成光源系統裝備研制的需求,超窄線寬光纖激光器需要同時滿足高功率、高光束質量、超窄線寬輸出要求。2017年德國夫瑯禾費研究院的F.Beier團隊基于空間結構實現3.5 kW窄線寬(0.18 nm)激光器;同年,國防科技大學在先進高功率高能激光技術與應用研討會上報道了4 kW窄線寬激光器輸出,線寬約為0.4 nm。自2012年以來,窄線寬光纖激光技術研究課題組在高功率超窄線寬光纖激光技術研究方面不斷取得新的研究進展和突破。

通過對超窄線寬光纖激光技術路線的對比分析,我們將基于白噪聲的單頻相位調制放大的技術路線作為可合成超窄線寬子束的主技術路線,其原理圖如圖1所示。該方案采用單頻激光作為種子源,利用白噪聲信號通過相位調制器對單頻激光的線寬進行有效展寬從而抑制放大過程中的非線性效應,提高激光器的輸出功率。為了進一步提高輸出功率,可以選用大模場的光纖提高系統非線性效應的閾值,但大模場光纖存在模式不穩定閾值低的問題,在光束質量惡化的同時也會導致放大器效率的降低,因此功率、線寬和模式三個技術指標實際是相互耦合,整個激光器的設計需要統籌考慮。

高功率超窄線寬光纖激光技術

 

1  高品質窄線寬種子源技術

研究了高品質窄線寬種子源的產生和放大后的非線性效應抑制能力。表明合適的調制深度和調制頻率可有效提高系統的非線性閾值。采用圖2所示的基于白噪聲相位調制單頻種子源+兩級預放大器的高品質種子源產生和放大技術方案,一級預放大器將功率提升至約500 mW,二級預放大器將功率進一步提升至約30 W。為了抑制一級預放大器小信號注入帶來的ASE問題,我們利用帶寬2 nm,中心波長1064 nm的濾波器過濾ASE基底,同時采用反向泵浦技術,進一步降低ASE強度。級間的隔離器防止下一級回光對前級系統的影響,通過光纖耦合器監測前向光輸出和后向光功率。

高功率超窄線寬光纖激光技術

單頻激光種子源經過白噪聲源相位調制后原理上可得到光譜在一定帶寬范圍內近乎連續分布的種子激光,可有效提升功率放大時系統的SBS閾值,是窄線寬光纖激光常用的抑制SBS的技術手段。但實驗研究也發現,基于白噪聲相位調制的光纖放大器在某一功率閾值處輸出時存在自脈沖,限制功率的進一步提升。為此,將兩級預放大后的激光注入一段長度為2 km的單模光纖,對不同調制參數下(調制深度和調制頻率)展寬后的窄線寬激光的SBS閾值、回光的時域、頻域特性進行了實驗研究,實驗發現,在一定范圍內,其線寬與SBS閾值無強烈相關性。在小的調制深度下或者窄的調制帶寬下,SBS閾值低,但回光的時域和頻域穩定。在合適的調制參數下,SBS閾值高,但回光時域抖動甚至出現自脈沖,同時高階Stokes突然出現。通過理論計算,我們認為回光自脈沖來源于高階Stokes脈沖,結果與實驗吻合得很好?;趯ψ悦}沖和SBS效應的深入研究和認識,我們對相位調制種子源和預放大器的結構和系統參數進行了優化設計,目前可將自脈沖閾值提升80%左右。圖3、圖4分別是一級和二級預放大器輸出功率曲線和輸出光譜測試圖??梢钥闯鲆患壓投夘A放大器的ASE抑制比均大于50 dB。

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2  高功率放大模式不穩定性抑制技術

       研究了增益光纖彎曲大小對模式不穩定閾值的影響,研究表明通過對增益光纖采用有效的彎曲選模措施,激光器的模式不穩定閾值可提升30%以上。實驗研究了放大器其他參數一定的條件下,不同泵浦線寬及泵浦方式對MI閾值的影響,實驗研究表明通過寬譜泵浦源泵浦,模式不穩定閾值可提升25%以上;正向泵浦和反向泵浦有著近似相等的MI閾值,而雙向泵浦可將模式不穩定閾值提升20%以上?;谒俾史匠碳盁醾鲗P屠碚摲治霰砻鲗捁庾V泵浦源泵浦或雙向泵浦下放大器增益光纖有著更低局部熱負載。理論及實驗結果表明,在實際激光器系統搭建過程中我們要更關注放大器增益光纖的局部熱負載,而不是總熱負載或平均熱負載。通過合理的優化熱負載沿增益光纖的分布,降低增益光纖局部熱負載,可以有效地提升模式不穩定閾值。本單位還實驗研究了增益光纖冷卻介質對模式不穩定閾值的影響,如圖5和圖6所示。當放大器增益光纖冷卻介質熱導率0.3 W/(m×)時,放大器的模式不穩定閾值為1 269 W,將放大器增益光纖冷卻介質熱導率提升至5 W/(m×),模式不穩定閾值超過了1 950 W,實驗結果表明通過提升增益光纖冷卻效率可以極大地提升MI閾值。

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3  高功率窄線寬激光放大技術取得重要進展

研究了采用不同芯徑的光纖放大過程對非線性效應和模式不穩定性的控制能力。結果表明通過采用優化后的調制參數,結合提高放大器的注入功率可顯著提升放大器的非線性閾值和模式不穩定閾值。

如圖7所示,實驗裝置的種子激光實際為單頻激光器(輸出線寬小于10 kHz,且低相位噪聲、低強度噪聲和保偏)經白噪聲相位調制和兩級預放大后獲得的高品質窄線寬信號激光,該種子激光的線寬和功率根據實驗需求可進行一定的調節和優化。主放大器采用雙端泵浦方式提高模式不穩定閾值。光纖耦合器放置在主放和預放之間用于檢測系統回光。

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首先,在主放大器增益光纖采用20/400 μm規格的條件下,通過參數的優化成功實現了2.4 kW近衍射極限全光纖窄線寬輸出。圖8是該實驗裝置輸出功率和系統回光功率隨著泵浦功率的變化函數關系。輸出功率的光-光斜效率約為81%。當泵浦功率達到最大2 900 W時,主放輸出功率2 400 W,回光輸出功率約為280 mW,回光與主放輸出比約為0.012%,暫未達到SBS閾值。圖9是2.4 kW輸出光譜圖(M2 ~1.3),由圖可知,激光器輸出光譜中看不到受激拉曼效應(SRS),實現了約55 dB的信噪比,近衍射極限輸出。中心波長1 064.372 nm,3 dB和RMS線寬均為0.14 nm。

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圖10(a)是不同功率下的光譜細節圖,可以看出放大過程中,光譜沒有明顯展寬,這也就意味著我們可以通過操縱種子源的線寬展寬,就能得到理想的最終的光譜輸出,而不需要考慮放大器對線寬的影響,這是其他種子源,如隨機激光種子源、超熒光種子源等無法擁有的優點。圖10(b)為回光光譜圖,可以看到輸出功率為1 kW以下時,瑞利散射是回光主要組成部分,大于1 kW時,一階Stokes光開始明顯出現,并且逐漸成為主要成分。

對于前述基于20/400 μm的主放大器系統,當輸出功率達到2.4 kW以后進一步提高泵浦功率,系統中SBS/自脈沖效應和模式不穩定性出現導致輸出光譜不穩定,輸出激光功率下降以及橫模抖動。為了實現大于3 kW窄線寬輸出,需要進一步提高模式不穩定性、SBS/自脈沖效應的閾值。為此,對于圖7的實驗系統我們采取了提高注入主放大器功率(百瓦級)、進一步展寬線寬到0.18 nm、主放大器增益光纖更換為25/400 μm等技術措施進行改進。改進后,該實驗系統已實現3 kW窄線寬近衍射極限輸出、最大輸出功率達到3.5 kW,基本驗證了基于該技術方案實現3 kW以上窄線寬近衍射極限輸出的關鍵技術可行性。

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圖11是改進后實驗系統工作在3 kW及以下狀態時的輸出功率和系統回光功率隨著泵浦功率的變化測試結果,當主放大器泵浦功率達到3 500 W時,主放輸出功率3 034 W,此時光-光效率約為77.5%,回光輸出功率約為280 mW,回光與主放輸出比約為0.012%,還未達到SBS閾值。圖12是3 kW輸出光譜圖和光束質量圖。由圖可知,激光器輸出光譜中已經出現了微弱的ASE和拉曼,但整個光譜中信噪比依然大于48 dB,中心波長1 064.399 nm,3 dB和RMS線寬均為0.18 nm。在3 kW輸出功率下,系統的光束質量依然能夠保持在M2=1.50的近衍射極限輸出。

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圖13是進一步提高泵浦功率后實驗裝置的輸出功率和系統回光功率隨著泵浦功率的變化測試結果,當主放大器泵浦功率達到4 200 W時,主放輸出功率3 525 W,此時光-光效率約為72.7%,回光輸出功率約為310 mW,仍然未達到系統的SBS閾值。但實驗發現,當輸出功率超過3.0 kW時,系統輸出光束質量M2逐步退化至1.91,激光器的效率也逐步降低,如圖13所示。圖14是3.5 kW輸出光譜圖,由圖14可知,激光器輸出光譜中已經出現了比較顯著的ASE和拉曼,同時還出現了模間的四波混頻,導致激光信噪比驟降至35 dB,另外,光譜形態也隨著光斑的不穩定產生抖動(3 dB和RMS線寬分別變化為0.20 nm和0.80 nm)。因此,為了滿足近衍射極限光譜合成應用需求,可合成窄線寬子束在3 kW以上更高功率運轉時,還需要研究有效控制模式劣化的技術措施。

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