留言板

尊敬的读者、作者、审稿人, 关于本刊的投稿、审稿、编辑和出版的任何问题, 您可以本页添加留言。我们将尽快给您答复。谢谢您的支持!

姓名
邮箱
手机号码
标题
留言内容
验证码

国产化掺铥光纤激光振荡器性能研究

孟佳 张伟 赵开祺 余婷 吴闻迪 于春雷 李璇 李兴冀 叶锡生 曹清

孟佳, 张伟, 赵开祺, 余婷, 吴闻迪, 于春雷, 李璇, 李兴冀, 叶锡生, 曹清. 国产化掺铥光纤激光振荡器性能研究[J]. 中国光学, 2019, 12(5): 1109-1117. doi: 10.3788/CO.20191205.1109
引用本文: 孟佳, 张伟, 赵开祺, 余婷, 吴闻迪, 于春雷, 李璇, 李兴冀, 叶锡生, 曹清. 国产化掺铥光纤激光振荡器性能研究[J]. 中国光学, 2019, 12(5): 1109-1117. doi: 10.3788/CO.20191205.1109
MENG Jia, ZHANG Wei, ZHAO Kai-qi, YU Ting, WU Wen-di, YU Chun-lei, LI Xuan, LI Xing-ji, YE Xi-sheng, CAO Qing. Investigation on the performance of a homemade thulium-doped fiber laser oscillator[J]. Chinese Optics, 2019, 12(5): 1109-1117. doi: 10.3788/CO.20191205.1109
Citation: MENG Jia, ZHANG Wei, ZHAO Kai-qi, YU Ting, WU Wen-di, YU Chun-lei, LI Xuan, LI Xing-ji, YE Xi-sheng, CAO Qing. Investigation on the performance of a homemade thulium-doped fiber laser oscillator[J]. Chinese Optics, 2019, 12(5): 1109-1117. doi: 10.3788/CO.20191205.1109

国产化掺铥光纤激光振荡器性能研究

doi: 10.3788/CO.20191205.1109
基金项目: 

中国科学院"百人计划"项目 1505521XRO

空间环境材料行为及评价技术国家级重点实验室基金项目 6142910030613

详细信息
    作者简介:

    孟佳(1993-), 男, 河北唐山人, 硕士研究生, 2015年于东华大学获得学士学位, 现为上海大学与中国科学院上海光学精密机械研究所联合培养硕士研究生, 主要从事光纤激光器及中红外激光器方面的研究。E-mail:mengjia_sh@126.com

    余婷(1977-), 女, 福建福州人, 博士, 高级工程师, 2011年于中国科学院上海光学精密机械研究所获得博士学位, 主要从事激光技术及非线性频率转换方面的研究。E-mail:yuting@siom.ac.cn

    叶锡生(1967-), 男, 江苏泰兴人, 博士, 研究员, 1989年、1997年于浙江大学分别获得学士、博士学位, 主要从事激光技术、激光与物质相互作用等方面的研究。Email:xsye@siom.ac.cn

  • 中图分类号: TN248

Investigation on the performance of a homemade thulium-doped fiber laser oscillator

Funds: 

the Hundred-Talent Program of the Chinese Academy of Sciences 1505521XRO

the Foundation of the National Key Laboratory of Materials Behavior and Evaluation Technology in Space Environment 6142910030613

More Information
图(11) / 表 (2)
计量
  • 文章访问数:  405
  • HTML全文浏览量:  102
  • PDF下载量:  10
  • 被引次数: 0
出版历程
  • 收稿日期:  2018-11-27
  • 修回日期:  2019-01-09
  • 刊出日期:  2019-10-01

国产化掺铥光纤激光振荡器性能研究

doi: 10.3788/CO.20191205.1109
    基金项目:

    中国科学院"百人计划"项目 1505521XRO

    空间环境材料行为及评价技术国家级重点实验室基金项目 6142910030613

    作者简介:

    孟佳(1993-), 男, 河北唐山人, 硕士研究生, 2015年于东华大学获得学士学位, 现为上海大学与中国科学院上海光学精密机械研究所联合培养硕士研究生, 主要从事光纤激光器及中红外激光器方面的研究。E-mail:mengjia_sh@126.com

    余婷(1977-), 女, 福建福州人, 博士, 高级工程师, 2011年于中国科学院上海光学精密机械研究所获得博士学位, 主要从事激光技术及非线性频率转换方面的研究。E-mail:yuting@siom.ac.cn

    叶锡生(1967-), 男, 江苏泰兴人, 博士, 研究员, 1989年、1997年于浙江大学分别获得学士、博士学位, 主要从事激光技术、激光与物质相互作用等方面的研究。Email:xsye@siom.ac.cn

  • 中图分类号: TN248

摘要: 目前,掺铥光纤激光器(TDFL)所使用的材料和器件,特别是增益光纤,多为外国公司所生产,因而,有必要开展基于国产材料和器件的该类激光器研究。本文报道了基于自研增益光纤建立的连续波掺铥光纤激光振荡器的性能。实验中,利用纤芯直径为10 μm的自研掺铥光纤、国产泵浦源及光纤光栅搭建了三台振荡器,分别产生了中心波长为1 918、1 941和2 013 nm的激光输出。此外,对国产与进口增益光纤的激光输出特性进行了比较。实验结果表明,与进口光纤相比,自研掺铥光纤在输出效率方面低6%~11%,但是光谱线宽保持良好(0.1 nm左右),且在近场光斑分布方面具有一定优势。

English Abstract

孟佳, 张伟, 赵开祺, 余婷, 吴闻迪, 于春雷, 李璇, 李兴冀, 叶锡生, 曹清. 国产化掺铥光纤激光振荡器性能研究[J]. 中国光学, 2019, 12(5): 1109-1117. doi: 10.3788/CO.20191205.1109
引用本文: 孟佳, 张伟, 赵开祺, 余婷, 吴闻迪, 于春雷, 李璇, 李兴冀, 叶锡生, 曹清. 国产化掺铥光纤激光振荡器性能研究[J]. 中国光学, 2019, 12(5): 1109-1117. doi: 10.3788/CO.20191205.1109
MENG Jia, ZHANG Wei, ZHAO Kai-qi, YU Ting, WU Wen-di, YU Chun-lei, LI Xuan, LI Xing-ji, YE Xi-sheng, CAO Qing. Investigation on the performance of a homemade thulium-doped fiber laser oscillator[J]. Chinese Optics, 2019, 12(5): 1109-1117. doi: 10.3788/CO.20191205.1109
Citation: MENG Jia, ZHANG Wei, ZHAO Kai-qi, YU Ting, WU Wen-di, YU Chun-lei, LI Xuan, LI Xing-ji, YE Xi-sheng, CAO Qing. Investigation on the performance of a homemade thulium-doped fiber laser oscillator[J]. Chinese Optics, 2019, 12(5): 1109-1117. doi: 10.3788/CO.20191205.1109
    • 掺铥光纤激光处于人眼安全波段,可以用于探测大气分子(如H2O、CO2、N2O等)并在激光通信、激光雷达、遥感探测、激光医疗等领域有重要应用前景[1-4],近年来受到了较广泛关注。掺铥光纤激光器(Thulium-Doped Fiber Laser, TDFL)可输出1.8~2.1 μm波段的激光,并且在波长大于2 μm时可用于泵浦非线性晶体从而产生中红外激光[5-7]。掺铥光纤激光器的应用前景广泛,对于所需材料及器件的研制提出了较高要求,相关技术的进步也推动着掺铥光纤激光器的发展[8-16]。目前单频单模掺铥光纤激光器已实现608 W的激光功率输出[17],而高功率掺铥光纤激光器已经实现千瓦级的激光功率输出[18]。国内的相关研究起步较晚,与国外相比还存在较大差距。

      目前,常用的商业化掺铥光纤(TDF)主要来自Nufern、Coactive、iXblue等国外公司,而振荡器所用的光纤光栅则也主要来自Teraxion、ITF等国外公司。目前,对于光纤激光器,与掺镱光纤相比,掺铥光纤的研究成果很少。为此,有必要尽快地发展基于国产材料和器件的掺铥光纤激光器技术。

      本文基于国产掺铥光纤、光纤光栅、半导体激光(laser diode, LD)泵浦源等材料和器件,通过设计和搭建1 918、1 941、2 013 nm 3种连续波掺铥光纤激光振荡器并进行性能测试分析,研究掺铥光纤在不同输出激光波长下的转化效率、输出光谱及近场光斑等输出特性,并与进口的商业化光纤输出特性进行对比。

    • 掺铥光纤激光振荡器以掺铥光纤作为增益介质,其工作原理表述如下:将泵浦光注入掺铥光纤中,纤芯内的铥离子吸收泵浦光跃迁至上能级,并随着上能级粒子数的增多而产生粒子数反转;处于激发态的铥离子再次跃迁至基态能级时会辐射出波长为2 μm波段的光子,并在谐振腔内受激放大、辐射出2 μm波段激光。图 1为铥离子的吸收光谱[19],可见,铥离子(Tm3+)在790 nm附近的光吸收最强。本实验采用技术较为成熟的激光波长为793 nm的LD作为泵浦源。

      图  1  铥离子的吸收光谱

      Figure 1.  Absorption spectrum of the thulium ions

    • 铥离子的能级结构如图 2所示[19],图中右侧括号内所标注的为各能级寿命(单位为μs)。由于3H5能级的寿命极短,只有0.007 μs,故该能级上的粒子数可以忽略。因此,利用793 nm激光泵浦的掺铥光纤激光器为准三能级系统。位于基态3H6能级的Tm3+离子在吸收波长为793 nm的泵浦光之后被激发到3H4能级,经过光子自猝灭过程衰变到3F4能级,同时辐射出光子,将3H6能级的粒子激发到3F4能级,3F4能级上的Tm3+离子向基态跃迁并发射2 μm波段的激光。

      图  2  铥离子的能级分布及其寿命

      Figure 2.  Energy-level distribution of thulium ions and their lifespans

      振荡器中泵浦光、信号光光子数密度沿光纤长度变化的输运方程由以下公式给出[19]

      式中,ϕp+ϕp-ϕs+ϕs-分别为前、后向泵浦光及信号光光子数密度,ϕ0为自发辐射对信号光光子数密度的贡献,ΓpΓs分别为掺铥光纤对泵浦光和信号光的功率填充因子,σapσep分别是泵浦光的吸收截面和发射截面,σasσes是信号光的吸收截面和发射截面,N为纤芯中增益介质Tm的掺杂浓度,N2(z)为增益介质Tm的上能级离子浓度。τ为Tm粒子上能级平均寿命,h为普朗克常数,νpνs分别为泵浦光及信号光的频率,αpαs分别为增益光纤对泵浦光和信号光的散射损耗,泵浦光、信号光功率可表示为Pm=chνmAcϕm(m=psp表示泵浦光,s表示信号光),Ac为纤芯截面积。

      联立以上各式,用Matlab软件对微分方程组进行求解,可给出所需光纤的长度。本文数值模拟工作中关键参数的取值为:λpump=793 nm,σas=1×10-26 m2σap=8×10-25 m2σes1918=5×10-25 m2σes1941=4.5×10-25 m2σes2013=3×10-25 m2σep=1×10-25 m2Ac=7.853 8×10-11 m2αp=4×10-3/m,αs=7×10-4/m,Γp=0.002 4,Γs=0.82,Pp1918=10.52 W,Pp1941=10.88 W,Pp2013=10.40 W。光纤光栅的参数则根据所用器件的参数设定。1 918、1 941、2 013 nm振荡器前向信号光功率随光纤长度变化、输出信号光功率随泵浦光功率变化的数值模拟结果如图 3所示。由图 3可知,当自研增益光纤的长度为5 m时,输出激光功率趋于饱和,1 918、1 941、2 013 nm振荡器在设定泵浦功率下输出分别为2.52、3.19、2.92 W,光-光转化效率分别为24.0%、29.3%、28.1%。进口增益光纤在长度为3 m时输出功率趋于饱和;在此光纤长度下,1 918、1 941及2 013 nm振荡器输出的激光功率分别为3.03、3.84及3.52 W,对应光光转化效率分别为28.8%、35.3%及33.8%。

      图  3  掺铥光纤激光器数值模拟结果

      Figure 3.  Simulation results of thulium-doped fiber lasers

    • 国产化连续波掺铥光纤振荡器的原理结构如图 4所示。泵浦源使用国产半导体二极管(BWT,凯普林),其中心波长为793 nm,最大输出功率为16 W,输出尾纤纤芯/包层直径为105/125 μm。泵浦源熔接FBG后进入增益介质。FBG及增益介质皆为中国科学院上海光学精密机械研究所自主研发。FBG的纤芯/包层直径为10/130 μm,参数如表 1所示。增益介质是纤芯/包层直径为10/130 μm的单模掺铥光纤,其对793 nm泵浦激光的包层吸收系数为~2.5 dB/m,光纤长度为5 m。掺铥光纤盘绕在水冷板上进行主动散热。振荡器输出的激光经过包层光功率滤除器(Cladding Power Stripper, CPS)后包层内残余的激光被滤除。为了防止菲涅尔反射光损伤前端器件,将激光输出端面切割为8°斜角。

      图  4  掺铥光纤激光振荡器原理结构

      Figure 4.  Schematic of the thulium-doped fiber laser oscillator

      表 1  光纤布拉格光栅参数表

      Table 1.  Parameters of the FBGs

      1 λc=1 917.78 nm, λc=1 917.81 nm,
      Δλ=1.2 nm, Δλ=0.08 nm,
      R>99% R≈10%
      2 λc=1 941.42 nm, λc=1 941.67nm,
      Δλ=1.1 nm, Δλ=0.11 nm,
      R>99% R≈30%
      3 λc=2 013.34 nm, λc=2 013.34 nm,
      Δλ=0.84 nm, Δλ=0.16 nm,
      R>99% R≈11%
      Notes:①λc is the central wavelength; ②Δλ is the linewidth; ③R is the reflectivity.
    • 实验分别使用表 1中的3对光纤光栅、自研掺铥光纤以及国产LD泵浦源搭建振荡器,对振荡器的输出激光功率及光谱进行测试,典型结果见图 5

      图  5  国产化掺铥光纤激光振荡器输出功率和光谱实验结果。(a)信号光功率与泵浦功率的关系;(b)~(d)1 918 nm、1 941 nm和2 013 nm振荡器的光谱

      Figure 5.  Experimental results of output power and spectra of the domestic thulium-doped fiber laser oscillators. (a)Relationship between signal power and pump power; (b)~(d)spectra of 1 918 nm, 1 941 nm and 2 013 nm oscillators

      振荡器输出激光功率与泵浦源LD功率的关系曲线如图 5(a)所示,可见:输出激光功率与泵浦光功率基本呈线性变化,但输出激光波长不同时的斜率效率略有不同。

      在1 918 nm振荡器实验中,当泵浦源输出功率为10.52 W时,输出激光功率为2.38 W,斜率效率为28.0%,光-光转化效率为22.6%,激光中心波长为1 917.80 nm(光谱仪型号为YOKOGAWA AQ6375),3 dB谱宽为0.08 nm,见图 5(b)

      在1 941 nm振荡器实验中,输出信号光功率为2.95 W(对应泵浦光功率为10.88 W),斜率效率为31.8%,光-光转化效率为27.1%,中心波长为1 941.75 nm,3 dB谱宽为0.09 nm,见图 5(c)

      在2 013 nm振荡器实验中,当泵浦源LD输出功率为10.40 W时,信号光的输出功率达2.92 W,斜率效率达29.1%,光-光转化效率为28.0%,激光中心波长为2 013.38 nm,3 dB谱宽为0.1 nm,见图 5(d)

      实验中1 918 nm振荡器的效率与1 941 nm、2 013 nm振荡器存在较大的差距。经验证发现,这是由于1 918 nm的高反光栅对泵浦光损耗较高(约19%)引起的;在对1 918 nm振荡器理论数值模拟时也考虑了该器件的损耗。可见,实验结果与模拟结果的一致性较好。

      在光纤研制过程中,通过调整纤芯内铥离子的掺杂浓度、纤芯外围锗层中锗的掺杂浓度,改变增益光纤数值孔径,可在一定程度上优化激光光斑。本实验所用的自研增益光纤在研制时通过减小铥离子掺杂浓度、增加锗层中锗的掺杂浓度而适当减小了其数值孔径(约为0.145)。使用PY-Ⅳ相机对各振荡器输出激光的近场光斑进行测量,结果如图 6所示。可见,各振荡器输出激光的近场光斑能量分布比较规则。

      图  6  国产化掺铥光纤振荡器输出激光的近场光斑分布

      Figure 6.  Near-field spots of output laser from the domestic thulium-doped fiber oscillators

      基于2 013 nm振荡器,分别对使用2、3、5 m增益光纤的情况进行了输出激光功率测试,结果如图 7所示。可见,在输出效率方面,增益光纤长度为5 m时要优于另外两个长度,所得结果与模拟结果较吻合。

      图  7  不同增益光纤长度下输出激光功率与泵浦光功率之间的关系

      Figure 7.  Relationship between output laser power and pump power under different gain fiber lengths

      针对2 013 nm振荡器在输出激光功率为3 W的条件下进行了时长约60 min的运行考核,结果如图 8所示。可见,激光功率波动为±0.08 W,其稳定性良好(功率波动呈现一定的周期性,具体原因待进一步研究)。

      图  8  60 min内掺铥光纤激光器功率稳定性

      Figure 8.  Stability of output power of TDFL in 60 min

      对2 013 nm振荡器采用最高功率为30 W的泵浦源,其激光输出情况如图 9所示。当泵浦功率处于11 W和15 W附近时,振荡器出现了输出功率下降的现象,具体原因有待进一步研究。

      图  9  更高泵浦功率下的功率输出曲线

      Figure 9.  Relationship between signal power and pump power with higher pump power

    • 将上述激光振荡器中的增益介质分别替换为进口的Nufern公司双包层单模掺铥光纤产品(其纤芯/包层直径同样为10/130 μm,包层对793 nm泵浦光的吸收系数为4.5 dB/m,数值孔径为0.15,光纤长度为2.8 m),再测试其激光输出特性,并与自研的掺铥光纤进行对比。

      在换用进口掺铥光纤之后,激光振荡器输出功率曲线如图 10所示,对比数据见表 2。实验与模拟结果在趋势上仍较一致。结合图 7可见,利用进口光纤,激光输出效率较国产光纤有明显提升,斜率效率相差6%~11%左右。由表 2结果可见,基于自研掺铥光纤的振荡器在激光输出功率、斜率效率、光-光效率方面与进口光纤相比尚有一定的差距,而在线宽方面则基本一致。分析推测自研掺铥光纤在功率、效率上的差异与增益光纤离子掺杂浓度等有关,有待进一步实验研究以改善其性能。

      图  10  采用进口和国产掺铥光纤的激光振荡器输出功率对比实验结果

      Figure 10.  Contrast experimental results of the output powers of laser oscillators by using the domestic and imported TDFs

      表 2  采用进口和国产掺铥光纤的激光振荡器的输出效率和光谱特性

      Table 2.  Output efficiencies and spectral characteristics of the laser oscillators by using the domestic and imported TDFs

      光纤 中心波长/nm 输出功率/W 泵浦功率/W 斜率效率/% 光-光转化效率/% 线宽/nm
      进口 1 918.00 2.92 10.52 34.6 27.7 0.09
      国产 1 917.80 2.38 10.52 28.0 22.6 0.08
      进口 1 941.72 3.96 10.88 43.1 36.3 0.10
      国产 1 941.75 2.95 10.88 31.8 27.1 0.09
      进口 2 013.33 3.50 10.40 37.0 33.7 0.09
      国产 2 013.38 2.92 10.40 29.1 28.0 0.10

      换用进口掺铥光纤后,激光振荡器的近场光斑如图 11所示。与图 6中自研掺铥光纤的结果相比,采用进口光纤的激光输出光斑能量分布不太理想,而自研掺铥光纤的激光输出光斑分布则较为理想。

      图  11  进口掺铥光纤振荡器输出激光的近场光斑分布

      Figure 11.  Near-field spots of the output laser from oscillators by using the imported thulium-doped fiber

    • 本文利用国产化的材料和器件成功搭建了1 918、1 941、2 013 nm掺铥光纤激光振荡器,开展了自研掺铥光纤的激光输出特性研究。3台振荡器的激光输出光谱良好,3 dB谱宽均接近0.1 nm。对自研掺铥光纤在数值孔径方面进行了优化,使激光输出近场光斑分布较理想。

      接着,将增益介质替换为进口掺铥光纤,开展了激光器特性的对比测试分析。结果表明,在激光输出的功率、斜率效率、光-光效率方面,自研掺铥光纤接近于进口产品,但仍存在一定差距,而自研掺铥光纤在激光振荡器输出近场光斑分布方面明显好于进口光纤。

参考文献 (19)

目录

    /

    返回文章
    返回