技术分享 | 高功率铒镱共掺光纤激光器研究进展

1 引 言

随着高功率半导体激光技术和包层抽运技术的成熟,光纤激光器的输出功率飞速攀升,从毫瓦级增至万瓦级.相比于万瓦量级的１μm 掺镱光纤激光器,百瓦量级的１.５μm 高功率光纤激光器,由于其具有低大气传输衰减和高人眼损伤阈值,在卫星遥感、激光雷达、空间光通信等领域有着极大的应用需求.实现１.5μm 高功率光纤激光器的方案主要有三种：

１)拉 曼 光 纤 激 光 器,２０１３ 年 Supradeepa 等通过 ５ 级拉曼频移在 １４８０nm 实现 了 ３０１ W 的功率输出.该类型激光器常作为抽运源用于同带 抽运掺铒/铒镱共掺光纤激光器.

２)掺铒光纤激光器,２０１２年 OFSLab采用１４８０nm 拉曼激 光器抽运实现１５５４nm１０１ W 激光输出,斜率效率 高达７５％.由于高功率的同带抽运源获取难度大, 限制了其更高功率输出.在采用９７６nm 半导体抽 运源方面,南安普顿大学光电研究中心(ORC)于２０１８年 基 于 １４６/７００μm 超 大 芯 径 掺 铒 光 纤 实 现 １６０１nm６５６ W 激光输出,但由于超大芯径带来的激光光束质量差,其主要应用仅限于掺铥光纤激光 器的抽运源.

３)铒镱共掺光纤激光器,早在２００７年Jeong等基 于 线 性 腔 振 荡 结 构 实 现 了 １５６７nm ２９７ W 激光输出.由于铒镱共掺光纤高增益、大吸收截面和高能量转化效率,一直被认为是１.5μm 实 现高功率输出的最佳选择.同时,高功率铒镱共掺 光纤激光系统可实现超窄线宽,具有良好的光束质 量和噪声特性,使其在激光测距、引力波测量等应用上优势显著.本文首先介绍了高功率铒镱共掺光纤激光器的研究现状,主要从铒镱共掺光纤及其激光系统的发展历程和近年来研究较多的高功率窄线宽光纤激光器两方面展开介绍;随后分析了在铒镱共掺光纤激光系统中制约其功率攀升的主要原因,包括光纤热效应、受激布里渊散射 和镱波段放大的自发辐射 (Yb-ASE);最后从光纤材料与结构、激光系统结构两个方面阐述了抑制Yb-ASE的方案.

2 铒镱共掺光纤及光纤激光器的发展

铒离子能级结构复杂,在高浓度掺杂下易出现 浓度猝灭,且吸收截面相对较小.镱离子的共掺,能 分散铒离子、减少离子聚集,从而降低高浓度铒掺杂 时的浓度淬灭.同时,通过交叉弛豫过程镱离子敏 化铒离子,有效提升铒镱共掺光纤对抽运光的吸收.１９８７年,南安普顿大学 ORC 团队基于改进化学气 相沉积工艺(MCVD)和液相掺杂技术制备出第一根 石英基铒镱共掺光纤.１９９２年,澳大利亚悉尼大 学光纤技术中心通过类似于溶胶凝胶法 的 快 速 凝固技术制备出 P２O５含量高达１７％(摩尔分数)的 铒镱共掺光纤,掺 P 含量的提高,有利于实现稀 土 离子的 重 掺 杂.１９９６ 年,南 安 普 顿 大 学 ORC 团 队研究发现 P＝O 双 键 的 高 声 子 能 量 特 性 有 利 于抑制处于激发态的 Er３＋ 向 Yb３＋ 的 能 量 反 传 递,提高能量传递效率.因此,至今商用的铒镱共掺光 纤纤芯基质均为磷硅酸盐.国内,MCVD 和液相掺杂技术制备的铒镱共掺 光纤最早报道于２００４年.２００７年中国电子科技 集团第４６研 究 所基 于 MCVD 工 艺 制 备 的 铒 镱 共掺光纤在９７６nm 处的包层吸收系数达２dB/m.２０１２年,华中科技大学李进延团队基于反向沉积 的 MCVD 工艺实现了重掺 P,获得在９７６nm 吸收 系数 为 ２．３ dB/m 的 双 包 层 铒 镱 共 掺 光 纤 (DCEYDF),并利用该光纤实现了３．２ W 激光输出.总 体而言,国内 MCVD 技术制备铒镱共掺光纤的难点 主要集中于纤芯中 P２O５的高浓度掺入、稀土离子的 掺入比例优化和低损耗控制.近年来,为了提高激光器的输出功率同时保证 其光束质量,降低非线性效应阈值,大模场低数值孔 径(NA)光纤逐渐成为了研究热点.对于铒镱共掺光纤,由于纤芯中 P 的含量为 １０％ ~１７％(摩尔分数),使得其数值孔径为０.11~０.17,限制了单模运 转的光纤最大芯径为１１μm.为了实现大模场单模 运转,主要有两种技术方案:一是采用三包层结构,降低纤芯与内包层折射率差.２０１４年,加拿大国家 光学研究所(INO)通过 MCVD 制备了三包层铒 镱共掺光 纤,如 图 １(a)所 示,其 中 纤 芯 为 Er２O３、Yb２O３、P２O５共掺,第一内包层为 GeO２、P２O 共掺, 第二内包 层 为 纯 SiO２,制 备 出 纤 芯 与 第 一 内 包 层 NA 为０．０９,纤芯为２３μm 的大模场光纤,再通过纤 芯折射率呈“W”型滤除高阶模,如图 １(b)所示,从 而实现大模场单模运转.此外,Nufern公司采用三 包层结构制备出纤芯与第一内包层数值孔径为０．０９ 的光 纤 (LMAＧEYDFＧ２５P/３００ＧHE). 二 是 纤 芯 高 掺氟技术,２０１９年,俄罗斯科学院通过 MCVD 结 合气相掺杂技术在纤芯中掺入０．９％(质量分数)的 F,从而制备出纤芯２０μm,NA 为０.07~０.08的大 模场单模光纤.首台铒镱共掺光纤激光器(EYDFL)报道于 １９８８年.此时,由 于 增 益 光 纤 和 抽 运 源 的 限 制,输 出功率仅为１．５mW.得益于Snitzer提出的双包层 光纤结构,激 光 器 功 率 逐 渐 突 破 瓦 级,２００３ 年,Sahu等通过单端 ９７５nm 空 间 包 层 抽 运 方 式 实 现１.57μm１０３W 连续激光输出,高功率抽运下,铒 镱共掺 激 光 器 功 率 实 现 百 瓦 量 级 输 出.２００７ 年,Jeong等报道的单端９７５nm 空间包层抽运激光 器,最大输出 功 率 达 ２９７ W,当 输 出 激 光 功 率 高 于 ２１０ W 时,产生了镱离子１.06μm 寄生激光,激光斜 率效率显著降低,由４３％降至１９％.２０１４年,加拿 大拉瓦尔大学制备了１７/１２５μm 的铒镱共掺光 纤,其中该光纤为铝磷硅酸盐基质,通过调整镱铒共 掺杂比例,实现 １５８５nm２６４ W 激光输出,光光效 率达７４％.国内,铒镱共掺激光器最早报道于２００３年,２０１３年复旦大学沈德元团队基于９７５nm 空间包 层 泵 源 ２５/４００ 铒 镱 共 掺 光 纤 实 现 了 ７７ W 激光输出,斜率效率为３７％.表１列举了几个典型 的高功率铒镱共掺光纤激光系统.

图１ 三包层铒镱共掺光纤.(a)光纤剖面几何结构;(b)光纤折射率剖面图

表１ 高功率铒镱共掺光纤激光器的代表

随着铒镱共掺光纤激光器在自由空间光通信、 激光雷达、引力波探测等高新科技中的应用,超窄线 宽、近散粒噪声极限、近衍射极限的高功率窄线宽铒 镱共掺光纤激光器成为了研究热点.２００４年,南安 普顿大学 Alegria等以窄线宽分布式反馈半导体激光器(LD)为 种 子 源,基 于 三 级 主 振 荡 功 率 放 大 (MOPA)结 构 采 用 ３０/４００ 双 包 层 铒 镱 共 掺 光 纤, 实现 了 １５５２ nm ８３ W 连 续 激 光 输 出,线 宽 为１３kHz.２００５ 年,该 团 队 Jeong 等以 线 宽 小 于 １ MHz外 腔 可 调 的 LD 为 种 子 源,搭 建 了 两 级MOPA 结构,实现了在 １５６３nm 处 １５１ W 的 单 频输出.窄线宽激光器的种子源直接决定了最终输出激 光的线宽特性.目前,超窄线宽种子源多选用美国NP Photonics 产 品,该 公 司 于 ２００１ 年 制 备 了 １５３５nm处吸收系数为５dB/cm 的磷酸盐铒镱共掺光纤,２００４年利用此光纤作为增益介质搭建如图 ２(a)所示的窄线宽激光器,其中 C 波段的一对宽 带光纤布拉格光栅(WBＧFBG)和窄带光纤布拉格光 栅(NBＧFBG)构成谐振腔,如图２(b)所示,实现了小 于２kHz的 窄 线 宽 激 光 输 出,激 光 相 干 长 度 大 于 ５km.国内华南理 工 大 学 等 高 校 和 科 研 院 采 用 管 棒法制备高浓度铒镱共掺磷酸盐光纤,并基于该增 益光纤实现超窄线宽种 子 源.２００９ 年 华 南 理 工 大 学报道了 在 １５３５nm 吸 收 系 数 高 达１２．６dB/cm的 磷酸盐铒镱共掺光纤,２０１０年利用自制的磷酸盐 光纤搭建了线 宽 小 于 ２kHz的 窄 线 宽 分 布 式 反 馈 光纤激光器.

图２ １５３５nm 窄线宽激光器.(a)激光器结构图;(b)未达阈值时的 ASE图谱

2０１３年华南理工大学的 Yang团队以自制的２kHz窄线宽激光器为种子源,７ m 长１０/１２８μm的 铒镱共掺光纤为增益介质,实现了在１５６０nm 全光纤 单级 MOPA 激光器１0.9 W 连续激光输出,线宽小于 ３.5kHz.２０１４年德国汉诺威激光中心 Steinke等利用千赫兹级窄线宽激光器为种子源,基于INO 的 三包层铒镱共掺光纤实现了６１ W 高光束质量激光 输出,TEM００模占比高于９０％,但镱波段寄生激光高 达４０ W.２０１５年天津大学 Bai等以７００Hz窄线宽激光器为种子源,基于三级全光纤 MOPA 结构,如 图３所示,在１５５０nm实现４.21kHz５6.4W 连续激光 输出,斜率效率达３７％,为了抑制镱波段激光,在放大 结构的每 级 均 未 达 到 镱 波 段 激 光 激 射 阈 值.２０１７ 年,Varona等以９４０nm LD 作为抽运源,５．５m长２５/３００μm 铒镱共掺光纤作为增益介质,搭建空间耦 合的 MOPA 结构,实现了在１５５６nm 处１１１ W的连 续激光输出,TEM００ 模高达９4.8％,无镱波段寄生激光产生.

图３ 天津大学实现５６．４ W 激光输出的实验结构

3 功率攀升的关键限制因素

当前,铒镱共掺光纤激光器功率攀升的关键限 制性因素主要有:光纤热效应、受激布里渊散射以及 镱离子放大自发辐射.铒镱共掺光纤激光器在激光输出时光纤热效应 严重,主要的 热 源 为 激 光 跃 迁 过 程 中 的 量 子 亏 损.量子亏损来源于两部分,其一为镱离子向铒离子能 量传 递 的 不 充 分,其 二 为 ９７５ nm 抽 运 光 产 生１５５０nm激光约３７％的量子亏损.光纤热效应会导 致镱离子吸收和发射截面减小、荧光寿命降低,从而 降低系统效率;此外,窄线宽激光器中,光纤热效 应会引起非线性效应,导致激光器斜率效率下降、线 宽 展 宽 和 信 号 光 漂 移等,制 约 功 率 进 一 步 提 升.为了抑制光纤热效应,通常从三个方面进行 控制:采用低吸收大芯径光纤结构,以减小纤芯单位 面积的热负载;采用双端抽运,分布式侧面抽运等抽 运方式,有效解决温度分布问题,减少热效应产生;合理设计刻有 U 型 或 V 型 凹 槽 的 金 属 热 沉,通 过 水冷方式带走热量.非线性效应主要包括受激拉曼散射(SRS)和受激布里渊散射(SBS).SBS阈值较低,易激发,激发 后大量信号光会转化为后向斯托克斯光,严重限制 窄线宽激光器的功率攀升,且对频谱线宽和光信噪 比带来不利影响.由 于 SBS 的 阈 值 与 纤 芯 有 效 面 积成正比,与增益光纤长度成 反 比,因 此 增 大 模 场面积 减 小 增 益 光 纤 长 度 是 抑 制 SBS 的 有 效 途 径;此 外,Mermelstein 等采 用 光 纤 轴 向 环 境 温度渐变的控制方式,有效抑制 SBS.其原理为不 同的温度会产生不同的 SBS增益峰值,而上一段光 纤中 SBS 传 输 到 下 一 段 时,增 益 峰 值 不 同,导 致 SBS不能被放大,因此难以达到 SBS的激发阈值.镱离子放大自发辐射是限制铒镱共掺光纤激光器发展的最关键因素.当抽运源抽运功率较高时,镱离子吸收的抽运能量就会大于其向铒离子传递能 量,处于激发态的大量剩余镱离子就会产生放大自 发辐射(Yb-ASE),也被称为瓶颈效 应.随 着 抽 运功率进一步增加,上能级的 Yb３＋ 会不断积累,容 易产生寄生激光和自脉动,从而大幅降低激光器的 斜率效率,造成系统功率不稳,甚至光纤损伤;此外,１μm 激光输出降低了“人眼安全”特性,使铒镱 共掺光纤激光器的应用严重受限.为改善 Yb-ASE 问题,可从优化光纤和优化激光系统结构两个方面 进行.光纤方面,通常基于光纤组份调节或光纤结 构设 计 来 实 现 Yb-ASE 性 能 的 改 善;激 光 系 统 方 面,通过降低镱离子激发效率或提取镱离子激发态 能量来控制 Yb-ASE.

3.1 优化光纤组分与结构设计

优 化 光 纤 组 分 主 要 是 通 过 剪 裁 镱 铒 离 子 的 比例,降低处于激发态镱离子的数目,提高镱离子向铒 离子交叉弛豫的能量传递效率,从而抑制 Yb-ASE. 优化纤芯掺杂离子能从根本上改善 Yb-ASE,提高 光 纤 性 能.Nufern 公 司 ２００８ 年 推 出 了 新 一 代 EYDF(SMＧEYDFＧ６/１２５Ｇ HE),该 光 纤 具 有 低 Yb-ASE 的性能.２０１８年iXblue公司优化纤芯 组分,通过１２/１２５的铒镱共掺光纤实现在输出功率 为２０ W 时,仅有１mW 的 Yb-ASE 产生,斜率效率 达４６.3％.光纤结构设计方面,主要是引入特殊的结构,增 加镱离 子 波 段 传 输 衰 减,抑 制 Yb-ASE.２００８ 年 Shirakawa等利用光子晶体光纤(PCF)对短波长 光的滤波作用,通过合适的弯曲半径有效滤除 Yb-ASE,保证了１.55μm 信号光输出的稳定性.２０１４年,Ouyang等在有源光纤两端分别熔接 一段光子带隙光纤来衰减 Yb-ASE,提高其产生寄生激光 的阈值.

3.2 优化光纤系统结构

非峰值抽运方案是抑制 Yb-ASE 的有效途径之一.非峰值抽运采用波长为９４０nm 或９１５nm 的激 光器进 行 抽 运,而 避 免 使 用 常 用 的 镱 离 子 吸 收 峰９７６nm的半导体抽运源,从而降低镱离子激发效率. ２０１６年,Creeden等首次提出用９４０nm LD 作为抽运源,搭建两级 MOPA 结构,如图４所示,其 中放大级利用６ 个 ９４０nm LD 作为抽运源通过反 向抽运进入２５/３００的铒镱共掺光纤中,最终实现了 １５６０nm 无 Yb-ASE 的２０７ W 激光输出,斜率效率 为５０．５％.与 之 相 比,同 一 结 构 同 等 增 益 ９７６nm LD 抽运的斜率效率为４０．２％.２０１７年,该团队对该方案进行模拟,认为９４０nm LD 抽运降低了镱 离子的激发效率,减少了处于激发态的 Yb３＋ 数,不 仅提高了激光器的斜率效率,还增加了 Yb-ASE 的 阈值.２０１７年,Varona等用９４０nm LD 作为抽 运源,实 现 了 在 １５５６nm 处 １００ W 的 激 光 连 续 输 出,无镱波段寄生激光产生.２０１８ 年 Booker等通过理论模拟证明了用 ９１５nm 或者 ９４０nm 抽运源抽运可以降低 Yb-ASE 和 SBS的阈值.

图４ 非峰值抽运高功率铒镱共掺光纤放大器的结构

通过在激光系统中添加辅助抽运源、环形 器或光栅来增加反馈,是在放大器结构中 常采 用 的 抑 制 Yb-ASE 的 方 案.通 过 上 述 方 法 增 加反馈,可以提取镱离子激发态能量,使之以受激辐 射的形式产生激光,从而抑 制 Yb-ASE.主 动 促 进１μm激光激发能有效抑制寄生激 光 和 自 脉 冲 的 出 现,大大提高放大器的工作稳定性,并使１.55μm 信号光的输出功率获得提升.同时形成的激光可通过“二次抽运”方式,再次激发稀土离子从而提高斜率效率.２０１４ 年,Sobon 团 队 搭 建 了 利 用 两 个 单 模 WDM 构 成 １０６０nm 环 形 谐 振 腔 的 全 光 纤 两 级 MOPA 结构,如图 ５ 所示,实现了抑制 Yb-ASE 的 单模１０ W 输出.其中在环形器的输出端刻上一 个透射特定波长 的 FBG,从 而 实 现 波 长 可 调,增 加 结构的灵活性.

图５ 拥有 Yb带环形谐振腔的全光纤 MOPA 结构

反向传输的 ASE 是影响放大器工作稳定性的 主要 因 素.２０１５ 年,Han 等提 出 通 过 引 入 １０３２nm光纤布拉格光栅(FBG)用于反射后向 Yb-ASE,产生与抽运传输方向相同的镱离子激光.镱 波段辅助信号光的受激放大和重吸收效应,使 Yb-ASE 显著降低,放大器 的 抽 运 转 化 效 率 大 大 提 升, 输出功率与未加 FBG 的结构相比提高２０％.２０１７ 年,该团队提出引入一对中心波长为１０３１nm 的 FBG 构成镱带谐振腔,当抽运功率为１７ W 时,输出 信号功率为７.25W,斜 率 效 率 达 到 ４2.6％,无 Yb-ASE,且有很好的增益平坦效应.

4 结论

铒镱共掺光纤通常采用 MCVD 结合液相掺杂 技术制备,在制备过程中需要实现易挥发元素磷的 高浓度均匀掺杂,同时避免纤芯损耗增加、折射率中 心凹陷和高数值孔径等问题.为了满足铒镱共掺光 纤激光器实现高输出功率、高光束质量、超窄线宽、无 Yb-ASE、无SBS和较好的噪声性能等,大模场面 积、低数值孔径增益光纤将成为未来铒镱共掺光纤 的主要发展方向.其中三包层光纤和纤芯重掺氟是 实现大模场单模运转比较成熟的解决方案.1.５μm 高功率激光器方面,由于掺铒大模场光 纤制备技术逐渐成熟,掺铒光纤激光器实现了最高 ６５６ W 的激光输出,使之成为在该波段实现高功率 输出的主要方案之一;铒镱共掺光纤激光器以其频 谱线宽窄、增益高、光束质量佳、噪声性能好等优势 仍然为该波段的主流研究方向.铒镱共掺光纤激光 器在功率攀升方面的主要瓶颈在于高抽运功率下镱离子放大自发辐射和９７５nm 抽运存在较高的量子 亏损.解决上述问题从激光器角度出发一般采用以 下两种方式:一是非峰值抽运,以 ９４０nm LD 作为 抽运源,使抽运吸收和增益被均匀地分布在整个光纤中,增加了 Yb-ASE 的阈值,降低了光纤热效应; 二是调整激光器结构,通过辅助抽运法,将镱离子过 剩的上能级能量提取出来形成激光,对铒镱共掺光 纤进行“二次抽运”,不仅可以抑制 Yb-ASE,而且可 以提高激光效率.非峰值抽运结合辅助信号抽运法 将是未来实现铒镱共掺光纤激光器高功率输出的最 主要方案之一.随着铒镱共掺光纤激光器在高功率 和窄线宽方面的进一步突破,其在激光测距、自由空间光通信和引力波测量等方面的应用范围将进一步扩大.

[作者]：程永师 ,陈瑰 ,李进延

[来源期刊]：激光与光电子学进展