高功率窄线宽光纤激光及其高效优质光谱合成技术

 共1页  1 

高功率光纤激光器具有效率高、体积小、光束质量优异、工作稳定可靠和环境适应性强等突出优势，在光电对抗及工业加工等领域具有广阔的应用前景。近几年光纤材料、器件和系统集成技术不断取得新的进展和突破，在1 mm波段的单纤激光在2009年和2013年已经先后实现了10 kW单模输出和20 kW少模输出。但受限于非线性效应、光损伤和热效应等问题，进一步提升单纤激光输出功率面临极大的技术挑战。因此采用多纤功率合成成为进一步提升光纤激光输出功率的普遍共识，共孔径相干合成、拼接孔径相干合成、共孔径光谱合成、几何并束等多种光纤激光功率合成技术途径受到国内外学者们的广泛关注和研究。其中：拼接孔径相干合成因占空比产生的远场旁瓣问题和几何并束随合成路数增加出现的输出光束质量加速退化问题限制了两种方案的应用场合，而共孔径相干合成和光谱合成原理上可实现共孔径高光束质量合成输出，且具有良好的合成通道扩展能力，是未来高效优质高能光纤激光功率合成技术研究的重点方向。

2013年，中国工程物理研究院应用电子学研究所针对未来高能光纤激光光源需要兼顾的“高能”“高效”“优质”三大品质要求，分析评估了多种功率合成技术方案的关键技术和发展潜力，确定将基于高功率窄线宽光纤激光的双MLD光栅(多层介质膜衍射光栅)共孔径光谱合成作为重点攻关技术方案，其原理示意图如图1所示，两块MLD光栅平行放置，不同中心波长的多路窄线宽光纤激光（以下称为“子束”）以合适的间隔平行入射到同一块MLD光栅上，光栅色散使光束在参数完全相同的第二块MLD光栅上重合并实现共孔径合成输出。该技术方案的主要特点为：双光栅设计既能有效补偿光栅造成的色散以确保获得良好的合成光束质量，同时也放宽了合成对子束的线宽的要求，降低了合成子束提升功率的技术难度。

从光栅衍射方程出发，通过推导获得单路子束经过双光栅系统后的光束质量退化为

式中，M ²为子束初始光束质量；L为两块光栅间距；a和b分别为入射角和衍射角；w₀为子束初始近场二阶矩束腰宽度；d为光栅刻槽间距；r(l)为归一化处理后的子束光谱分布；l₀为子束中心波长。

图2为两种光栅刻线密度下光谱合成输出光束质量与子束线宽的理论计算结果。图2计算时假定：子束初始光束质量M ²为1.5，中心波长l₀为1 060 nm，最小子束波长间隔为2 nm，子束间距Dw为10 mm，子束初始二阶矩束宽w₀为1.25 mm，光栅刻线密度1 200线/mm和1 700线/mm，入射角与衍射角夹角为6°。

理论分析表明：双MLD光栅光谱合成光束质量水平主要由子束线宽和光束质量决定，而光栅色散造成的光束质量差异相对较小，为了获得较好的光谱合成输出光束质量，需要对子束线宽和光束质量进行较严格的控制，同时，在系统设计时可选用大色散光栅以实现较紧凑的布局。另外，为了获得高能合成激光输出，除了提升合成子束的功率水平以外，还需要尽可能地增加可合成子束的激光光谱范围、拓展合成子束的数量。因此，采用双光栅光谱合成实现高能、高效、优质输出需要解决窄谱子束激光、短波长子束激光以及双MLD光栅高效优质组束三大关键技术问题。

近两年，围绕双MLD光栅光谱合成中的关键技术问题，从理论分析与设计、单元技术验证、系统集成综合验证等方面开展了深入研究和持续攻关，先后突破了基于FBG振荡器的窄线宽激光产生与放大、基于单频种子源噪声相位调制的窄线宽激光多级放大、高功率短波长激光放大、双光栅高效优质光谱合成等多项关键技术，为下一步开展更高功率光纤激光光源关键技术研究以及高能光纤激光光源工程装置研制奠定了基础。

1  基于FBG振荡器的窄线宽激光产生与放大关键技术

研究了基于FBG振荡器的窄线宽激光放大过程光谱展宽的物理机理，确定了FBG光纤振荡器产生的多纵模光谱结构在放大器中的四波混频效应(FWM)是造成其光谱随输出功率提升逐步展宽的主要因素。通过FBG光纤振荡器参数优化设计实现了种子源线宽和纵模间隔的精细调节，有效缓解了激光线宽在放大过程的展宽，验证并掌握了基于FBG振荡器的窄线宽激光产生与放大关键技术，利用20/400 mm商用掺镱光纤获得了1.8 kW窄线宽高光束质量激光输出，二阶矩线宽为0.31 nm，光束质量M ²<1.6。图3为实验装置的光路布局示意图和图4为输出线宽测试图。

   

由于尚无有效的技术手段避免多纵模激光在放大过程中的四波混频效应，因此在不降低光束质量水平的条件下，采用该方案实现更高功率输出时线宽控制将面临极大的技术挑战。

2  基于单频种子源噪声相位调制的窄线宽激光多级放大关键技术

研究了基于单频种子源＋相位调制的光纤激光MOPA系统中的FWM效应、受激布里渊散射效应(SBS)等非线性效应问题，表明该系统中不会因FWM效应导致放大过程线宽明显展宽，但较高的谱功率密度产生的SBS效应是限制该系统获得高功率输出的主要因素。通过理论计算线宽与SBS阈值的关系，并分析噪声相位调制各参数对SBS阈值提升的影响，优化了光纤激光器设计参数。2014年，通过宽带噪声高速相位调制的方法，展宽单频种子源线宽至13 GHz(二阶矩线宽为0.06 nm)，通过两级预放大至10 W后，使用20/400 mm掺镱光纤最终实现了中心波长1 064 nm、3 dB线宽13 GHz、最高功率1.06 kW输出，光束质量M²。 2015年，通过对系统参数的进一步优化，使用25/400 mm商用掺镱光纤将输出功率提升到了2.0 kW，不过由于出现了模式不稳定性现象，导致光束质量M²退化至约2.0。图5为2 kW窄线宽激光实验装置的光路布局示意图，图6为输出线宽测试图。

理论分析表明：通过扩宽噪声源频带，更换高射频耐受功率相位调制器等方式可进一步提升激光输出功率，但需要同步研究并解决高功率运作条件下的模式不稳定性问题。

3  高功率短波长激光放大技术验证

由于掺镱光纤吸收和发射截面参数与波长直接相关，相较于常见的工作波段(如1 060~1 085 nm)，短波长激光运转时由于激光再吸收、放大自发辐射(ASE)等现象的存在增加了提升功率的难度。研究掺镱光纤实现1 030 nm波段甚至更短波段高效激光输出是有效扩展合成子束激光可利用光谱范围的技术途径。建立了基于ASE的光纤激光放大器理论模型，模拟分析了掺镱光纤激光放大器不同中心波长和增益光纤长度等因素对于ASE的影响，优化了1 030 nm窄线宽光纤激光放大器设计参数并进行了实验验证。采用基于窄带种子源+一级放大器的结构设计，使用商用25/400 μm掺镱光纤实现了中心波长1 030 nm、最高功率1.01 kW的窄线宽激光输出，二阶矩线宽为0.2 nm，光-光转换效率81%。图7为kW级1 030 nm窄线宽激光实验装置的光路布局，图8为输出线宽测试。后续可通过提高泵浦功率、优化放大器的参数等方式进一步提升窄线宽1 030 nm激光的输出功率。

1 030 nm短波长子束激光放大技术的突破将有利于扩展光谱合成系统的可用光谱区间，给光谱合成系统功率扩展提供了重要的技术支撑。

4  基于窄线宽光纤激光的高效优质光谱合成技术

研究了光栅色散、子束中心波长与抖动、子束波长间隔与线宽、子束光瞳光轴抖动以及光束排布参数等对光谱合成效果的影响，提出了双MLD光栅实现高效优质合成的系统参数控制要求，掌握了双MLD光栅光谱合成系统参数设计与优化的方法，突破了双MLD光栅色散补偿设计、紧凑化光路设计、密集组束器设计、光栅器件耐强光性能测试等多项关键技术。2015年2月，基于自主研制的5路kW级窄线宽光纤激光实现了5 kW高效优质共孔径光谱合成激光输出，最大输出功率达5.07 kW，光束质量M ²小于3，合成效率达到91.2%。通过对子束线宽和光束质量以及子束排布、波长间隔的进一步优化设计，2015年8月，基于自主研制的10路kW级窄线宽光纤激光将共孔径合成输出功率提升了近1倍，最大输出功率达9.6 kW，同时仍然保持了良好的光束质量和合成效率水平，光束质量M ²因子约为3，合成效率达到92.0%。图9为双MLD光栅光谱合成实验装置的光路布局示意图和实物图，图10为10路子束密集组束后的近场光斑分布和光谱合成后的光束远场分布。

                       

通过进一步压缩每路光纤激光的线宽并提升子束功率或增加合成路数，采用该方案可以获得更高功率和更高光束质量水平的共孔径激光输出。