与传统的固体激光器相比, 光纤激光器有着许多优势, 比如更为紧凑轻便、良好的光束质量、较大的表面积/体积比、可以实现有效的热管理和进一步的功率放大. 近年来, 高功率光纤激光器在激光光源的生产模式和材料加工等领域掀起了新的变革^[1-3], 其中掺镱光纤激光器(ytterbium-doped fiber laser, YDFL)最大输出功率已超过10 kW^[4]. 具有1700—2100 nm超宽可调谐范围掺铥光纤激光器(thulium-doped fiber laser, TDFL)也引起了人们极大的兴趣, TDFL应用十分广泛, 比如激光雷达、自由空间通信、生物医疗以及作为掺钬光纤激光器或光学参量振荡器的优秀抽运源等^[5-8]. 基于成熟的制作工艺和成本控制, 绝大多数高功率TDFL主要采用工作在793 nm处的半导体激光器(laser diode, LD)进行抽运, 更重要的是793 nm抽运方式对应的³H₄, ³H₆ → ³F₄, ³F₄能级跃迁过程中的交叉弛豫机制能够使TDFL克服41%的斯托克斯极限. 在应用需求的推动下, TDFL在国内外都经历了前所未有的发展, 2010年, Q-peak公司的Ehrenreich等^[9]报道了一个主振荡功率放大器(main-oscillator power-amplifier, MOPA), 该系统采用793 nm抽运方式, 采用12 m纤芯/包层尺寸为20/400 μm的大模场掺Tm³⁺光纤作为增益介质, 种子注入功率为50 W, 经过两级放大后被提升到1 kW, 斜率效率为53.2%, 工作波长为2050 nm, 这是目前国际上输出功率最高的掺Tm³⁺光纤放大器. 2016年, 德国Fraunhofer应用光学和精密工程研究所的Walbaum等^[10]设计了一个基于商用三包层掺Tm³⁺光纤的全光纤振荡器, TDF的纤芯/第一内包层/第二内包层尺寸为25/40/400 μm, 输出功率为567 W, 斜率效率为49.4%, 其工作在多模运转模式下, 峰值波长处的3 dB带宽为180 pm, 这是目前报道的输出功率最高的掺Tm³⁺光纤振荡器. 2015年, 本课题组^[11]采用改进的化学气相沉积(modified chemical vapor deposition, MCVD)工艺制备了一根双包层掺Tm³⁺石英光纤, 其纤芯/包层尺寸为25/250 μm, 数值孔径(numerical aperture, NA)为0.11, Tm₂O₃的掺杂浓度约为44000 ppm (1 ppm = 1 mg/L), 在793 nm处的包层吸收系数为3 dB/m. 利用4 m该自制掺Tm³⁺光纤, 搭建了一个工作波长为1915 nm的全光纤结构的振荡器, 当抽运功率为252 W时, 得到最大输出激光功率为121 W, 斜率效率为51%. 2017年, 复旦大学的Yao等^[12]报道了全光纤窄线宽掺铥MOPA系统, 采用纤芯/包层尺寸为25/400 μm的TDF作为放大级增益介质, 将3.5 W的种子功率提高到400 W, 斜率效率为53%, 中心波长为1941 nm, 输出光谱的3 dB带宽为67 pm. 2018年, 该课题组利用一个1 × 3合束器和一个3 × 1合束器, 将3个最高输出功率为323, 305 和229 W的掺铥MOPA激光系统进行集成(非相干)合束输出, 在总抽运功率为1505 W时, 获得了790 W的激光输出, 合束系统的斜率效率为52.2%^[13].

另一方面, 目前掺Tm³⁺光纤预制棒的制备方法主要有MCVD法^[14]、管-棒法^[15]和粉末法^[16]. 尽管管-棒法和粉末法也能制备出具有高掺杂浓度和折射率分布均匀的掺Tm³⁺光纤, 但目前基于这些方法制备的掺Tm³⁺光纤搭建的光纤激光器系统最终获得的2 μm激光功率仍处于瓦级水平^[15-17]. 这主要是因为通过这些方法制备出的掺Tm³⁺光纤的光纤尺寸或NA不能很好地与无源器件的尾纤匹配, 不利于全光纤化和功率放大. 因此, 目前实现数百瓦级甚至更高功率全光纤TDFL的最佳途径还是采用MCVD方法制备的大模场掺Tm³⁺光纤. 比较国外的研究, 国内高功率TDFL的发展相对较慢, 且在掺Tm³⁺光纤, 尤其是用于高功率系统的大模场掺Tm³⁺光纤的选用上长期依赖国外公司. 国产掺Tm³⁺光纤的制备主要有以下几个瓶颈: 1) Tm³⁺掺杂浓度不高, 交叉驰豫效应得不到增强, 致使光纤效率较低^[18]; 2)掺杂均匀性较差, 主要体现为光纤折射率剖面在横向和纵向上存在较大波动, 使得掺Tm³⁺光纤的NA存在较大偏差, 不能很好地与无源器件匹配, 实现全光纤化结构^[19]; 3)可重复性较差, 不同批次的掺Tm³⁺光纤可能表现出较大的激光性能差异, 这主要是由环境、仪器不稳定性及参数调控等因素导致的. 掺Tm³⁺光纤作为TDFL搭建过程中不可缺少的核心材料, 实现国产化, 生产出能够代替国外产品的性能优良的大模场掺Tm³⁺光纤是十分有必要的.

本文采用MCVD方法结合溶液掺杂技术, 并通过对制备过程中的关键参数进行优化, 制备了一根高掺杂、高吸收系数的双包层大模场掺Tm³⁺石英光纤. 该光纤的纤芯/包层尺寸约为25/400 μm, 对应的NA为0.1, 纤芯中Tm₂O₃和Al₂O₃的掺杂浓度分别为2.6 wt%和1.01 wt%, 在793 nm处测得的包层吸收为3 dB/m. 基于该大模场掺Tm³⁺光纤, 搭建了一个一级放大的MOPA系统, 实现了530 W的激光输出, 斜率效率为50%, 工作波长为1980.89 nm, 在输出功率为100 W时测得的M ²小于1.3. 在实验过程中没有观察到功率下降的现象, 从光谱上没有观察到放大自发辐射和寄生振荡现象. 据我们所知, 这是目前国内报道的TDFL实现的最高激光输出, 同时实现了国产大模场掺Tm³⁺石英光纤在制备技术上的突破.

实验中使用的掺Tm³⁺石英光纤预制棒采用MCVD工艺结合溶液掺杂法制备而成, 该工艺的基本流程可以总结为以下5个过程: 1)阻挡层和疏松层沉积; 2)溶液浸泡和稀土离子掺杂; 3)热干燥; 4)通气脱水; 5)烧结成棒. 关于光纤预制棒的详细制备过程, 许多文献都有介绍和描述^[20,21], 在此不作赘述. 值得指出的是, 由于会成为光纤的纤芯部分, 疏松层的沉积温度非常关键, 沉积的孔隙大小及其均匀度将直接影响Tm³⁺的掺杂浓度和均匀性, 也间接决定着掺Tm³⁺光纤的激光性能, 温度过高或过低都会导致疏松层质量下降. 通过控制沉积趟次, 可制备出不同掺杂浓度的掺Tm³⁺光纤. 为了实现高的Tm³⁺掺杂浓度, 增强交叉驰豫效应, 并避免由Tm³⁺团簇引起的光子猝灭, 在进行溶液掺杂时, 有必要加入一定量的Al³⁺作为分散剂, 以提高Tm³⁺离子的溶解度和分布均匀性^[22,23]. 因此, 合适的TmCl₃和AlCl₃溶液配比及浸泡时间也能在保证掺Tm³⁺光纤NA的前提下实现高掺杂浓度. 另外, 进料速度、预烧结及烧结温度等参数也会对掺Tm³⁺光纤的性能造成较大影响. 本文报道的Tm³⁺光纤的相关制备参数如表1所列.

预制棒制备完成后, 为了提高抽运光吸收率, 将其打磨加工至横截面呈八边形, 在对其表面进行充分清洁后, 置于拉丝塔上进行拉丝和涂覆, 拉丝温度设置在2000 ℃以上. 拉制出的双包层掺Tm³⁺石英光纤横截面如图1内嵌小图所示, 为八边形, 实际测得的纤芯直径为24.75 μm, 内包层边-边距离为402.66 μm. 采用光纤分析仪(IFA-100)测得的25/400掺Tm³⁺光纤的折射率剖面图如图1所示, 折射率剖面中心的凹陷主要是由高温下掺杂物挥发造成的, 测得纤芯折射率波动小于5.4 × 10^–4, 显示出比较优良的均匀性^[16,24]. 通过对缩棒时的流量、温度以及管内压力等参数进行综合优化, 可以进一步改善这种折射率剖面中心凹陷现象.

图  1  25/400掺Tm³⁺双包层石英光纤的折射率剖面图(内嵌小图: 横截面示意图)

Figure 1.  Refractive index profile of the 25/400 double clad Tm³⁺-doped silica fiber. Inset: image of the TDF cross section

采用电子探针微区分析仪(EPMA-8050G, SHIMADZU Co., Ltd.)对掺Tm³⁺光纤进行线扫描分析得出掺杂元素的分布特性, 如图2所示, 扫描精度为0.2 μm. 从图2可以看出, Tm³⁺和Al³⁺被限制在直径为25 μm的纤芯范围内. 对光纤样品的定量分析测得纤芯中Tm₂O₃和Al₂O₃的浓度分别为2.6 wt%和1.01 wt%. 另外, 采用截断法测得该掺Tm³⁺石英光纤的包层吸收在793 nm处为3 dB/m, 用光纤损耗分析仪(P104, Photon Kinetics Inc.)测得在885 nm处的包层背景损耗约为43 dB/km.

图  2  25/400掺Tm³⁺光纤中Al和Tm分布情况

Figure 2.  Distribution of Al and Tm in the 25/400 TDF.

图3(a)为全光纤结构MOPA系统的具体实验装置, 包括振荡器和放大级两部分. 振荡器由一对光纤布拉格光栅(fiber Bragg grating, FBG)和8 m上述自制大模场掺Tm³⁺光纤组成, 其中高反射光栅(FBG 1)和部分反射光栅(FBG 2)的中心波长为1980 nm, 且在1980 nm处的反射率分别为99.6%和10%, 3 dB带宽分别为1.92 nm和1 nm. 采用3个尾纤耦合输出, 工作波长为793 nm的多模LD作为抽运源, 最高总输出功率为200 W. 抽运光经由一个(6 + 1) × 1合束器(combiner1)耦合进掺Tm³⁺光纤内包层中, 合束器抽运尾纤规格与LD的尾纤相同, 纤芯/包层尺寸为200/220 μm, NA为0.22. 为了得到光束质量良好的种子源, 掺Tm³⁺光纤以6 cm半径盘绕在一块刻槽铝制水冷板上, 水冷温度控制在17 ℃, 并且对振荡器和放大级之间的无源光纤的涂覆层进行了阶梯式剥除处理, 将剥除区(约10 cm)完全浸没在高折射率胶中滤除剩余抽运光和包层光. 放大级采用双向抽运方案, 每个方向熔接5个与振荡器中规格一致的LD, 每个LD可以提供约110 W的抽运功率, 并通过正反向两个(6 + 1) × 1合束器耦合到有源光纤内包层中, 正向合束器(combiner 2)的耦合效率为93%, 其中一个空悬抽运臂(port 1)用来监测回光功率, 反向合束器(combiner 3)的耦合效率为94%. 为保证抽运光被充分吸收, 提供足够增益, 放大级中同样采用8 m上述25/400双包层掺Tm³⁺光纤作为增益介质, 两个合束器的合束端尾纤的尺寸及NA皆与有源光纤匹配. 在系统输出端前熔接了一个包层光剥除器(CPS 2)以滤除包层光, 改善输出激光的光束质量, 其尾纤的纤芯/包层尺寸为25/400 μm, NA为0.1. 在输出端熔接了一段长度约为3 mm、切口为8°角的无芯光纤, 以防止产生菲涅耳反射. 对于放大光纤的散热, 设计了一块带有下沉的铝制刻槽水冷板, 结构如图3(b)所示, 放置掺Tm³⁺光纤的水冷槽为黑色线条所示, 设计为螺旋盘绕的跑道, 最小盘绕半径为6 cm, 放大级中的有源光纤由端口2盘入, 以减小光纤中的高阶模得到的增益, 光纤端口2处设计了一段深于其他弯道的直槽, 避免光纤交叠产生热积累, 合束器与掺Tm³⁺光纤的熔点置于最内圈跑道直道上. 水冷管道如红色线条所示, 呈回环状铺设在光纤水冷槽正下方并覆盖整个光纤盘绕区域, 能够有效地减少热积累, 入水口和出水口的位置如图中标注所示. 整块水冷板挖有约1 cm深的下沉, 掺Tm³⁺光纤完全浸没在水中, 水冷温度设置为10 ℃.

图  3  (a)掺Tm³⁺全光纤MOPA系统结构图; (b) 放大级中水冷板设计示意图

Figure 3.  (a) Experimental setup of the all-fiber Tm-doped MOPA system; (b) the design diagram of water-cooling plate in amplification stage.

经过CPS 1后测得的种子源输出激光功率随抽运光功率的变化如图4所示, 振荡器的阈值功率为19 W, 当抽运光功率达到阈值功率后, 随着抽运光功率的增加, 种子源输出激光功率呈线性增加, 当抽运功率为202 W时, 最大输出功率为91 W, 对应的斜率效率为49%, 光-光效率为45%. 种子输出功率提升过程中对应的后向回光通过合束器1的信号臂检测, 且一并记录在图4中, 种子源输出功率达到最大时, 对应的回光为1.6 W. 光谱测量和记录采用日本横河公司的光谱分析仪AQ6375B, 扫描精度为0.05 nm. 在高功率系统中, 主要测量功率计靶面散射光光谱, 图5是种子源输出功率为91 W时对应的光谱, 中心波长为1980.89 nm, 输出激光信噪比为28 dB, 3 dB带宽测得为75 pm, 这种窄线宽的激光输出可以归因于振荡腔内的模式竞争^[12,25].

图  4  种子源输出功率及后向回光随抽运功率的变化

Figure 4.  Output power of oscillator and backward power versus the incident pump power.

图  5  种子源输出功率为91 W时对应的光谱

Figure 5.  Spectrum of the oscillator at output power of 91 W.

种子源注入放大级的初始功率设置为80 W, 放大级抽运源未启动时, 种子激光经过整个放大级后衰减至57 W, 对其进行放大, 图6所示是掺Tm³⁺光纤放大器输出功率及port 1处测得的回光功率随抽运功率的变化. 输出激光功率呈线性增加, 整个过程没有观察到功率下降现象, 抽运功率为979 W时, 掺Tm³⁺光纤放大器输出功率达到530 W, 对应的斜率效率为50%, port 1处监测到的最大回光功率小于1 W. 在输出功率为500 W时测得的光谱如图7所示, 中心波长与种子源一致, 输出激光信噪比为27 dB. 输出激光的3 dB带宽有些许展宽, 为0.11 nm, 这种展宽一方面被认为与系统中的热积累有关, 温度升高导致光栅透射光谱展宽变形; 另一方面, 光纤的非线性效应(如四波混频、自相位调制)随着功率的不断提升而增强, 致使激光线宽展宽^[26,27]. 扫描了1950—2000 nm范围内的激光光谱, 没有观察到明显的自发辐射和受激布里渊散射效应, 如图7内嵌图所示, 说明输出激光功率仅受限于抽运功率. 由于缺少衰减片, 测量了掺Tm³⁺光纤放大器输出功率为100 W时的光束质量因子(M ²), 如图8所示, 测得的M ²小于1.3, 说明该掺Tm³⁺光纤MOPA系统具有较高的亮度. 由于放大级增益光纤采用螺旋跑道式盘绕方法, 且为了更好地进行热管理, 相邻跑道之间的间隔设置为1 cm, 导致盘绕半径逐渐增大, 使得在外圈部分, 对高阶模的抑制作用逐渐减弱. 在充分散热的前提下, 通过进一步优化光纤盘绕半径, 能够进一步改善系统的输出光束质量.

图  6  放大级输出功率及后向回光随抽运功率的变化

Figure 6.  Output power and backward power of amplifier stage versus pump power.

图  7  掺Tm³⁺光纤放大器输出功率为500 W时对应的光谱

Figure 7.  Spectrum of the Tm³⁺-doped fiber amplifier at output power of 500 W.

图  8  掺Tm³⁺光纤放大器输出功率为100 W时测得的M²

Figure 8.  Beam quality factor of the Tm-doped fiber amplifier at 100 W.

本实验采用热成像仪(MAG32 384 × 288, Magnity Electronics Co., Ltd.)观察记录掺Tm³⁺光纤的温度, 在输出功率为530 W时, 其最高温度超过60 ℃, 若想实现激光功率的进一步提升, 对掺Tm³⁺光纤的热管理至关重要. 采用多级放大是缓解有源光纤及无源器件高温压力的有效途径, 另外, 近年来研究人员提出的新型高效散热光纤, 如金属包层光纤^[28]、石墨烯光纤^[29]等也为有源光纤的热管理提供了新思路. 但是这无疑大大增加了光纤制备的成本, 因此, 提升掺Tm³⁺光纤激光器输出功率的核心解决方法还是要制备出高浓度、高效率的掺Tm³⁺光纤, 减小量子亏损, 提高抽运光利用率. 2019年南安普顿大学的Ramírez-Martínez等^[30]报道的采用MCVD方法结合气相掺杂技术制备出的Tm³⁺光纤, 其激光效率可达到72.4%. 对该项技术的探索和分析正在进行当中, 有望制备出更高效的国产大模场掺Tm³⁺光纤, 推进国内高功率掺Tm³⁺光纤激光器研究领域的发展.

报道了一个全光纤结构高功率掺铥MOPA系统, 其中掺Tm³⁺光纤通过MCVD工艺结合溶液掺杂法制备而成, 纤芯/包层尺寸约为25/400 μm, NA为0.1, 测得纤芯掺杂的Tm₂O₃和Al₂O₃ 浓度分别为2.6 wt%和1.01 wt%, 在793 nm处的包层吸收为3 dB/m. 采用8 m自制大模场掺Tm³⁺光纤和一对FBG, 搭建了一个直腔结构窄线宽振荡器, 振荡器的中心波长为1980.89 nm, 3 dB光谱带宽为75 pm. 放大级采用双端抽运结构, 增益介质同样为8 m自制大模场掺Tm³⁺光纤, 通过一级放大将57 W的种子激光提升至530 W, 对应的放大级斜率效率为50%. 输出激光的3 dB光谱带宽为展宽至0.11 nm. 实验过程中没有观察到明显的放大自发辐射和非线性效应, 输出功率仅受限于抽运功率. 系统在输出功率为100 W时测得的M ²小于1.3. 据我们所知, 该结果是目前国内报道的TDFL达到的最高输出功率.