中科院西安光機所研制出用于多千瓦級激光器的摻雜光纖

  由于摻鐿光纖激光器從科研領域到工業(yè)加工乃至國防領域的廣泛應用，對于具有高穩(wěn)定性的多千瓦(≥3kW)級光纖激光器越來越迫切。

  過去幾十年來，光纖制造技術(shù)和其他關鍵部件取得了令人難以置信的進步，導致連續(xù)波光纖激光器的輸出功率呈指數(shù)級增長。然而，隨著輸出功率的進一步擴大，非線性效應(nonlinear, NL)、(光暗化photodarkening, PD)和熱負荷已被認為是多千瓦級輸出功率下激光器長期可靠性的關鍵限制因素。

  通常，通過摻雜高濃度的Yb3+來縮短活性纖維是減少NL相互作用長度的有效策略。但是高于溶解度閾值的摻雜水平會導致Yb3+團簇甚至相分離，這將大大降低PD電阻。否則的話，擴大效應區(qū)域也可以減輕NL效應。遺憾的是，由于大模場(LMA)光纖支持的模式數(shù)量增加，模式不穩(wěn)定性(MI)現(xiàn)象成為阻礙光纖激光器在多kW級穩(wěn)定運行的主要限制因素。MI會導致光束質(zhì)量下降以及光纖輸出處的光束輪廓波動。

  之前的其他研究團隊發(fā)現(xiàn)抑制PD引起的熱負荷有助于提高摻Y(jié)b光纖的MI閾值。也證明了PD對MI的嚴重影響，他們認為PD是摻Y(jié)b光纖(YDF)中的第二熱源。因此，除了大模場和足夠的Yb3+濃度以外，制造具有出色PD性能的高質(zhì)量YDF對于提高激光輸出功率也至關重要。PD效應表現(xiàn)為取決于泵浦功率和摻雜劑濃度的，泵浦引起的過量損耗的演變過程。這可以歸因于由Yb3+激發(fā)到纖芯中原子缺陷前驅(qū)體的協(xié)同能量轉(zhuǎn)移過程中產(chǎn)生的色心。色心可以引起從紫外到近紅外波長的隨時間變化的寬帶吸收，從而導致泵浦和激光波長的激光功率顯著降低。由于抑制了色心的形成，共摻雜Ce可以顯著提高Yb / Al共摻雜纖維的抗PD性能。共摻雜鈰元素能顯著提高Yb/Al共摻光纖的抗光暗化效應性能，但其抗光暗化效應的機理尚不清楚。

  來自中國科學院西安光學精密機械研究所(XIOPM)瞬態(tài)光學與光子學國家重點實驗室的SHE Shengfei和其同事共同制造了一種具有高激光穩(wěn)定性的30/600有源光纖，該光纖被稱為Yb/Ce-AS@LAS fiber。采用低溫螯合氣相沉積(LT-CGPD)技術(shù)對多千瓦級摻鐿光纖中鈰的添加進行了綜合調(diào)整。最后，基于Ce共摻雜的Yb / Al光纖，它們在1,079.80nm處顯示了出色的結(jié)果。該研究成果發(fā)表在Lightwave Technology上。

  研究人員采用改進的化學氣相沉積(MCVD)系統(tǒng)結(jié)合CGPD技術(shù)制備了具有均勻纖芯成分的Yb/Ce-AS@LAS光纖。為了降低本底損耗，提高鐿鈰砷鑭光纖的功率承載能力，采用了低溫CGPD技術(shù)，所有原料均具有較高的純度(≥5N)。連續(xù)波激光性能測試實驗是在一個多光子吸收系統(tǒng)上進行的，如下圖所示。

MOPA配置示意圖

  使用5.40 kW泵浦光直接向前泵浦的MOPA配置，長15m的30/600 Yb / Ce-AS @LAS光纖在1079.80 nm處輸出5.04 kW激光輸出，斜率效率為81.1%，光束質(zhì)量M2為2.65。同時，高功率光纖放大器的長期穩(wěn)定性得到了有效改善，同時表明了Ce的添加對PD和附加熱負荷的抑制作用。

在5.04千瓦輸出功率下測量的光束質(zhì)量因子

  他們不僅打破了光纖激光器的功率記錄，而且還基于通過LT-CGPD技術(shù)制造的自制Yb / Ce共摻雜鋁硅酸鹽纖維，為更好的商業(yè)大功率光纖激光器鋪平了道路。

  本文來源：Shengfei She et al. Yb/Ce Codoped Aluminosilicate Fiber With High Laser Stability for Multi-kW Level Laser, Journal of Lightwave Technology (2020). DOI: 10.1109/JLT.2020.3019740