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技術(shù)文章

實現(xiàn)光纖激光高功率高品質(zhì)輸出關(guān)鍵器件——受激拉曼抑制器RSS

技術(shù)文章

光纖激光器問世以來,以其功率高、光束質(zhì)量好、結(jié)構(gòu)緊湊等諸多優(yōu)勢備受關(guān)注,而高功率連續(xù)光纖激光器作為科研和產(chǎn)品實現(xiàn)較早的一類激光器,近十幾年來發(fā)展十分迅速,各項指標一再被刷新,在工業(yè)、、基礎(chǔ)科研等多個領(lǐng)域發(fā)揮著重要作用;同時對更高功率、高穩(wěn)定性、高光束質(zhì)量的光纖激光輸出需求增大,在不斷實現(xiàn)和刷新指標過程中,對于兩類非線性效應(yīng)的抑制成為了關(guān)鍵因素,即熱致模式不穩(wěn)定性(TMI)受激拉曼散射(SRS)


01

熱致模式不穩(wěn)定TMI

2010年,Jena課題組報道了TMI現(xiàn)象,TMI起源于熱效應(yīng),當光纖激光的輸出平均功率超過TMI閾值時,光纖中不同橫模之間便會能量轉(zhuǎn)移,通過折射率周期變化的熱致光柵結(jié)構(gòu)來進行。


當光耦合進大纖芯光纖后,能量大部分流入基模,少部分流入高階模。不同橫模在光纖中相速度的差異導(dǎo)致了模間干涉圖樣的產(chǎn)生,使得纖芯中的光場呈現(xiàn)強弱交替的準周期性分布。相對于弱的光場,強光場區(qū)域的反轉(zhuǎn)粒子數(shù)耗盡更快,所以這種光場的準周期性分布會使得反轉(zhuǎn)粒子數(shù)也呈現(xiàn)出橫向不均勻的準周期性分布。反轉(zhuǎn)粒子數(shù)的變化會影響功率放大和能量提取能力,隨之便會產(chǎn)生橫向不均勻的準周期性分布的溫度場。溫度分布的差異性會在熱光效應(yīng)的影響下生成準周期性分布的折射率光柵,這就是光纖中熱致折射率光柵的產(chǎn)生過程,圖1所示[1]。

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圖1. TMI現(xiàn)象的基本物理圖象


一般地,采用以下幾種方法弱化TMI的影響:

(1)通過調(diào)整泵浦源的波長降低虧損,進而減小系統(tǒng)中的熱效應(yīng),比如采用1018nm進行泵浦,或者不同波長搭配泵浦等。

(2)通過設(shè)計不同的結(jié)構(gòu),采用支持基模的大模場面積光纖作為鏈路增益介質(zhì),比如3C手性耦合纖芯光纖,大模場光子晶體光纖等。


02

受激拉曼散射SRS

1962年受激拉曼散射SRS被觀察到。力學(xué)認為:入射光波的一個光子被一個分子散射成為另一個低頻光子,同時分子完成其兩個振動臺之間的躍遷。入射光作為泵浦產(chǎn)生稱為斯托克斯波的頻移光[2]。當功率超過閾值后部分激光功率轉(zhuǎn)移到另一頻率下移的激光波長中,從而降低了信號激光的功率和轉(zhuǎn)換效率,并且后向傳輸?shù)乃雇锌怂构鈺p壞系統(tǒng)中的光器件,嚴重影響光纖激光器的穩(wěn)定性和可靠性[3] [4]。


連續(xù)波受激拉曼散射的閾值功率:

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Aeff 為光纖有效模場面積,Leff 為有效光纖長度,gR(Ω) 是拉曼增益系數(shù)


一般地,采用以下方法來抑制SRS:

(1)增加有效模場面積,減小光纖長度來提高SRS閾值;

(2)通過對光譜的控制來抑制SRS;

(3)通過光纖濾波器對受激拉曼光進行抑制。


03

抑制SRS在實際應(yīng)用中的重要意義

高品質(zhì)的若干千瓦級連續(xù)激光在切割、焊接等多種工業(yè)應(yīng)用以及應(yīng)用領(lǐng)域發(fā)揮著重要作用,對于SRS的抑制是非常必要的環(huán)節(jié)。主要體現(xiàn)在以下幾個方面:


(1)有效抑制SRS可以增加應(yīng)用中輸出激光末端QBH的長度,從而增加了導(dǎo)光結(jié)構(gòu)的靈活性,在工業(yè)加工中十分受用,有些方法可以將末端無源纖增加10m以上,圖2所示;


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圖2. kW級連續(xù)光纖激光器及其輸出光纖


(2)SRS會導(dǎo)致信號光功率下降,并且導(dǎo)致模式不穩(wěn)定和差的光束質(zhì)量,在有效抑制SRS的基礎(chǔ)上,可以增加輸出功率和穩(wěn)定性,同時獲得更好的作用效果,圖3所示[5]。

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圖3. SRS引起的功率不穩(wěn)定導(dǎo)致了較差的加工效果


04

受激拉曼抑制器

(Raman Scattering Suppressor)

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圖4. 受激拉曼抑制器RSS示意圖


在達到閾值時,受激拉曼散射SRS可能出現(xiàn)在光纖激光鏈路上的多個位置,甚至可以有多級stokes光,對功率及其穩(wěn)定性不利。受激拉曼抑制器RSS的本質(zhì)是一個啁啾傾斜光柵CTFBG,圖4所示,通過設(shè)計刻寫光柵的參數(shù)實現(xiàn)一個雙向濾波的作用,可將來自正反兩個方向的SRS從纖芯濾除到包層里,免于SRS指數(shù)增長而造成的積累,進而保證了信號光的正常增益和光譜的穩(wěn)定,圖5所示。


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圖5. RSS在實際應(yīng)用中濾除正反兩個方向SRS原理圖


實際測試中,以一套用于切割的光纖激光器的光路為例,逐漸增加輸出光纖的長度和激光功率,直到產(chǎn)生的SRS到一定程度引起功率不穩(wěn)定,在鏈路上帶有和不帶有RSS的情況下進行對比,可見前者可以支持更高功率輸出和穩(wěn)定性,同時也支持更長的傳能光纖的應(yīng)用(實驗中為37m),圖6圖7所示,這在實際激光加工中有著非常重要的意義。

圖6. 帶有RSS的光纖激光器光路結(jié)構(gòu)


圖7. 不同情況下的輸出光纖長度及功率變化


目前實際應(yīng)用對于市場上常見的3kW的光纖激光器的模式和功率穩(wěn)定性提出了更高的要求,所以高的信噪比(特指SRS抑制比>20dB)成為衡量3kW單模激光的重要指標。沒有RSS情況下信噪比為21dB,加入RSS信噪比>40dB,圖8所示,顯而易見繼續(xù)增加功率,后者將比前者有更好的表現(xiàn)和潛質(zhì)[6]。


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圖8. 3kW時,沒有RSS情況下信噪比為21dB,

加入RSS信噪比>40dB


2019年報導(dǎo)了基于級聯(lián)泵浦方式和拉曼光譜濾波技術(shù),圖9圖10所示,在光纖激光振蕩器和放大器之間加入受激拉曼抑制器RSS來濾SRS如圖所示,并且對比了不使用CTFBG、使用一個CTFBG 以及使用兩個CTFBG對SRS的抑制效果,最終激光輸出功率4.2 kW,SRS 抑制比大于15 dB[7]。


圖9. 級聯(lián)泵浦光纖激光器中抑制 SRS 的實驗結(jié)構(gòu)示意圖


圖10. 輸出光譜隨泵浦功率的變化。(a)不使用 CTFBG;(b)使用一個 CTFBG;(c)使用兩個 CTFBG


2020年報導(dǎo)了光纖激光產(chǎn)品研發(fā)課題組設(shè)計了一種MOPA結(jié)構(gòu)的光纖激光器,實現(xiàn)了最高5.102 kW近衍射極限的光纖激光輸出。光學(xué)結(jié)構(gòu)由976 nm LD 泵浦光纖芯徑20/400 μm 摻鐿體系光纖振蕩器,采用了一種傾斜式光纖光柵對振蕩器輸出的信號光進行光譜濾波,提升了放大器種子光的光譜純度,有效地減緩了放大器的SRS效應(yīng),成功提升了MI閾值。實現(xiàn)了最高5.102 kW近衍射極限的光纖激光輸出,中心波長1080.21 nm,放大器斜率效率78.34%,圖11所示。


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圖11. 5.102kW輸出光譜及功率、光斑情況


05

結(jié)論

工業(yè)激光系統(tǒng)可以通過受激拉曼抑制器RSS獲得以下幾個方面的改善:圖12所示,

1. 增加傳能光纖QBH的長度,方便加工應(yīng)用;

2. 提高抗回返反光的能力,尤其對高反材料的加工,降低其對激光系統(tǒng)的損壞;

3. 保證系統(tǒng)穩(wěn)定的高功率的輸出和好的光束質(zhì)量,進而保證良好的切割和焊接效果;

4. 注入功率一定的情況下,有效地提高信號光的轉(zhuǎn)換效率,間接地提高系統(tǒng)的輸出功率。

圖12. 受激拉曼抑制器RSS在實際應(yīng)用中的結(jié)構(gòu)位置


非線性效應(yīng)在高功率實現(xiàn)過程中在所難免,需要簡單、切實、有效的方法來抑制。受激拉曼抑制器從實際應(yīng)用側(cè)很好地克服了SRS帶來的不利影響,實現(xiàn)了高品質(zhì)高功率的激光輸出,隨著光纖激光技術(shù)的不斷發(fā)展,更多更高品質(zhì)的激光光源系統(tǒng)將被應(yīng)用在工業(yè)加工、科技和基礎(chǔ)科研當中,不斷突破瓶頸,為我們的生活帶來高科技的便利。


參考文獻

[1]  C. Jauregui, C. Stihler, and J. Leimpert, “Transverse mode instability," Advances in Optics and Photonics 12, 429 (2020).

[2]  《非線性光纖光學(xué)原理及應(yīng)用》P188.

[3]  JAUREGUI C, LIMPERT J, TUNNERMANN A. High-power fibre lasers[J]. Nature Photonics, 2013, 7(11): 861-867.

[4] TER-MIKIRTYCHEV V V. Fundamentals of Fiber Lasers and Fiber Amplifiers[M]. Cham: Springer, 2014.

[5]  Y.Wang et al., Proc. SPIE, 1126022(Feb. 21, 2020).

[6]  Laser World of Photonics, May 2021, 43.

[7]  WANG M, WANG Z F, LIU L, et al.. Effective suppression of stimulated Raman scattering in half 10 kW tandem pumping fiber lasers using chirped and tilted fiber Bragg gratings[J]. Photonics Research, 2019, 7(2): 167-171.

[8]  羅韻,趙鵬飛,游云峰,歐陽麗娥,鄒東洋,黃智蒙,吳文杰,溫靜,廖若宇,史儀,楊先衡,吳思辛,王建軍,景峰. 5.1 kW光電控一體式單模光纖激光器[J]. 中國激光, 2020,  47(8): 0816001.


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