连续波光纤激光的高功率输出技术

连续波光纤激光的高功率输出技术

子晶晶光纤（pcf）具有高非线性系数和可控色散特征。高功率光纤模拟器被用作泵浦源，并对超级连续光谱（sc）进行了长的研究。高流量连续波i（yb）文物宽度的光刻机也可以通过连续波富系列光谱的组合而产生超连续谱。与脉冲泵浦法相比，连续波泵浦的高连续谱光谱源具有高光谱功率密度、平滑光谱、强度噪声和相对长度等优点。高光谱连续波的高大速度连续波源在高光谱分辨率、环境检测和激光刻等领域具有重要的应用前景。因此，它引起了很多关注。2003年,Avdokhin等利用1065nm掺Yb光纤激光器泵浦100m光子晶体光纤,实现输出功率为3.8W超连续谱,光谱从泵浦波长扩展到1380nm的水峰吸收波长.由于在此波长处受强水峰的影响,光纤的吸收损耗非常大,限制了1μm光纤激光器泵浦下,超连续谱光谱向长波的进一步扩展,以及输出功率的提高.随着光子晶体光纤拉制技术的提高,光纤的水峰吸收系数降低了1个量级.2005年,Travers等在连续波泵浦下的低水峰光子晶体光纤中,实现光谱扩展到1550nm的超连续谱输出.利用短长度的光子晶体光纤在高功率连续波激光泵浦下,输出超连续谱也可突破1380nm处水峰的限制.Cumberland等在50W连续波泵浦条件下,通过一段短长度双零色散光子晶体光纤(零色散点分别为810nm和1730nm),得到平均功率为29W的超连续谱输出,光谱从泵浦波长处扩展到1670nm,在长波零色散点的长波方向产生了色散波,但并未在短波零色散点的短波方向产生色散波.要想在零色散点短波方向产生新的光谱成分,要求泵浦波长位于光纤的反常色散区,且尽量接近光纤的零色散点,以利从泵浦演化产生的超短脉冲孤子扩展到正常色散区.Travers等利用400W工业级掺Yb光纤激光器作为泵浦源,获得的超连续谱输出功率首次突破50W,是通过零色散波长位于泵浦短波方向的PCF,得到超连续谱光谱范围为1050～2200nm;同时,也利用零色散波长与泵浦波长匹配的PCF,实现了光谱范围覆盖600～1900nm的28W宽带超连续谱输出.Labat等利用100W的1075nm光纤激光器,泵浦180m色散匹配的掺磷PCF,实现光谱达到可见光波段的36W超连续谱输出.尽管在连续波泵浦下已实现如此高功率的超连续谱输出,但实验中泵浦源和光子晶体光纤非线性介质之间通过透镜进行空间耦合,并未实现全光纤化结构,因而限制了超连续谱光源的进一步应用.本文研究主振荡功率放大(masteroscillatorpoweramplifier,MOPA)结构的掺Yb高功率单模连续波光纤激光器,采用梯度折射率光纤(gradient-indexfiber,GRINfiber)熔接技术实现泵浦激光器与光子晶体光纤的全光纤耦合,最终研制出基于连续波泵浦的高功率全光纤化超连续谱光源.1全光纤化泵浦检测方法高功率超连续谱光源系统整体结构如图1.采用高非线性光子晶体光纤作为超连续谱产生的非线性介质,搭建MOPA结构的连续波单模掺Yb光纤激光器作为泵浦源.掺Yb光纤激光器尾纤与高非线性光子晶体光纤之间采用GRIN光纤熔接技术实现全光纤化高强度耦合.所用光纤为长飞光纤光缆公司的高非线性光子晶体光纤(highnonlinearPCF,HNL-PCF),其采用堆积拉伸法拉制,纤芯与石英外层之间有5层周期结构.纤芯直径为4.7μm,空气孔周期Λ为3.3μm,空气孔直径d为1.9μm.由于一般光纤在1380nm处存在高水峰吸收,在光纤拉制过程中采用特殊方法来减弱OH离子的影响,以减小水峰处的吸收损耗.利用光纤截断法对光子晶体光纤进行损耗测量,得到光纤水峰处的吸收系数为80dB/km.根据光纤端面图,利用有限元法(finiteelementmethod,FEM)对其色散和非线性系数进行理论计算,同时采用光纤色散测量仪(PE,CD400)对其色散值进行验证,理论计算值与实际测量值非常吻合.光纤的零色散点位于1030nm处,小于泵浦源的波长,在1071.5nm泵浦波长处的模场直径和非线性系数分别为3.9μm和11W-1·km-1.MOPA结构光纤激光器的种子源为1071.5nm的连续波单模光纤激光器,种子源的输出功率为10W.功率放大级是掺Yb双包层光纤放大器:泵浦源为6个25W的976nm半导体激光器,对Yb波段激光进行防反保护后输出;功率放大级增益光纤采用长度为15m的大模场双包层掺Yb光纤(Nufern,LMA-YDF-20/400),纤芯与包层的直径分别为20和400μm,数值孔径分别为0.06和0.46,包层在976nm处的泵浦光吸收系数为1.7dB/m;采用一个(6+1)×1的光纤合束器连接6个半导体激光器尾纤和掺Yb双包层增益光纤,进行全光纤化泵浦;在增益光纤之后熔接一个高功率包层光剥离器(claddinglightstripper,CLS),用来剥离剩余的976nm泵浦光和激发到包层中的激光,避免对后续系统造成损坏.在CLS之后熔接一个光纤模场适配器(modefieldadapter,MFA,输入光纤为LMA-20/400,输出光纤为HI-1060),实现大模场双包层粗光纤和小芯径单模光纤之间的模场匹配耦合.HI-1060光纤的模场直径为6.2μm,与用来产生超连续谱的HNL-PCF模场直径更为接近,易于实现两者的高效率熔接耦合.模场适配器输出端的HI-1060光纤与高非线性光子晶体光纤之间采用GRIN光纤熔接技术实现全光纤化高效耦合,最小熔接损耗达到0.26dB.梯度折射率光纤熔接技术允许光子晶体光纤的空气孔塌陷熔接,因而提高了常规光纤和光子晶体光纤之间的熔接强度.光子晶体光纤输出端为一个8角光纤端帽,避免激光反馈对系统稳定性的影响,超连续谱的输出光谱和功率分别采用光谱仪(Yokogawa,AQ6370B)和功率计(LP-3C)进行监测.2连续波单波长波长自频移效应图3为光纤放大器在不同的泵浦功率(掺Yb双包层增益光纤入纤功率)下,整个系统输出超连续谱的光谱演化过程.随着泵浦功率的增大,输出超连续谱从泵浦波长处持续向长波方向扩展.在泵浦功率分别为0、31.9、59.4和86.5W时,输出超连续谱长波限分别达到1200、1370、1450和1610nm,对应的20dB光谱带宽分别为20、220、330和430nm.基于连续波泵浦的超连续谱来源于调制不稳定性(modulationinstability,MI)产生的超短光脉冲.脉冲能量高于孤子形成阈值的部分超短脉冲演化形成基态孤子,基态孤子进一步经历孤子自频移效应(solitonself-frequencyshift,SSFS),从而形成长波拉曼孤子超连续谱.图4为最大的泵浦功率下超连续谱的输出光谱,光谱的长波限已达到1700nm,20dB光谱带宽为620nm.尽管在最大泵浦功率下,输出超连续谱长波已经扩展到1700nm,但在泵浦波长短波方向仍未出现显著的光谱成分.这主要是因为泵浦波长为1071.5nm,位于光子晶体光纤的反常色散区且距离光纤1030nm处的零色散点较远,调制不稳定反斯托克斯边带或产生孤子的光谱没有扩展到光纤的正常色散区,因此,导致产生短波光谱成分的“孤子捕获”及“四波混频”(four-wavemixing,FWM)非线性效应效率很低,光谱展宽机制主要是产生长波光谱成分SSFS效应.图5为输出超连续谱长波限与放大器泵浦功率之间的关系曲线,可见,超连续谱长波限整体趋于线性增长,仅在达到1380nm附近的水峰吸收处时曲线增长略有减缓.主要原因是连续波泵浦下超连续谱的产生要求较长的PCF来增强相互作用非线性效应,而较长的光纤在水峰处引入较大损耗,因此需要更大的泵浦功率来突破其吸收损耗对光谱扩展的限制.图6为超连续谱输出功率与光纤放大器泵浦功率之间的关系曲线,两者具有较好的线性对应,在最大的114.8W泵浦功率下,超连续谱输出功率为36.5W,其中,10W的1071.5nm种子激光单独注入时超连续谱输出功率为3.26W,因而,整个系统的光-光转化效率达到30%.全光纤全连续谱激光器单模输出本文对一个10W连续波掺Yb光纤激光器进行主振荡功率放大,实现了连续波激光的高功率输出.在激光放大系统之后采用包层光剥离器和模场适配器,实现了放大系统中的大模场双包层光纤到小芯径单模光纤之间的模场匹配耦合和高功率激光的单模输出.