中科院西安光機(jī)所研制出用于多千瓦級(jí)激光器的摻雜光纖

  由于摻鐿光纖激光器從科研領(lǐng)域到工業(yè)加工乃至國(guó)防領(lǐng)域的廣泛應(yīng)用，對(duì)于具有高穩(wěn)定性的多千瓦(≥3kW)級(jí)光纖激光器越來(lái)越迫切。

  過(guò)去幾十年來(lái)，光纖制造技術(shù)和其他關(guān)鍵部件取得了令人難以置信的進(jìn)步，導(dǎo)致連續(xù)波光纖激光器的輸出功率呈指數(shù)級(jí)增長(zhǎng)。然而，隨著輸出功率的進(jìn)一步擴(kuò)大，非線性效應(yīng)(nonlinear, NL)、(光暗化photodarkening, PD)和熱負(fù)荷已被認(rèn)為是多千瓦級(jí)輸出功率下激光器長(zhǎng)期可靠性的關(guān)鍵限制因素。

  通常，通過(guò)摻雜高濃度的Yb3+來(lái)縮短活性纖維是減少NL相互作用長(zhǎng)度的有效策略。但是高于溶解度閾值的摻雜水平會(huì)導(dǎo)致Yb3+團(tuán)簇甚至相分離，這將大大降低PD電阻。否則的話，擴(kuò)大效應(yīng)區(qū)域也可以減輕NL效應(yīng)。遺憾的是，由于大模場(chǎng)(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(jí)穩(wěn)定運(yùn)行的主要限制因素。MI會(huì)導(dǎo)致光束質(zhì)量下降以及光纖輸出處的光束輪廓波動(dòng)。

  之前的其他研究團(tuán)隊(duì)發(fā)現(xiàn)抑制PD引起的熱負(fù)荷有助于提高摻Y(jié)b光纖的MI閾值。也證明了PD對(duì)MI的嚴(yán)重影響，他們認(rèn)為PD是摻Y(jié)b光纖(YDF)中的第二熱源。因此，除了大模場(chǎng)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(duì)于提高激光輸出功率也至關(guān)重要。PD效應(yīng)表現(xiàn)為取決于泵浦功率和摻雜劑濃度的，泵浦引起的過(guò)量損耗的演變過(guò)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(guò)程中產(chǎn)生的色心。色心可以引起從紫外到近紅外波長(zhǎng)的隨時(shí)間變化的寬帶吸收，從而導(dǎo)致泵浦和激光波長(zhǎng)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(yīng)性能，但其抗光暗化效應(yīng)的機(jī)理尚不清楚。

  來(lái)自中國(guó)科學(xué)院西安光學(xué)精密機(jī)械研究所(XIOPM)瞬態(tài)光學(xué)與光子學(xué)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)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(duì)多千瓦級(jí)摻鐿光纖中鈰的添加進(jìn)行了綜合調(diào)整。最后，基于Ce共摻雜的Yb / Al光纖，它們?cè)?,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(jìn)的化學(xué)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(cè)試實(shí)驗(yàn)是在一個(gè)多光子吸收系統(tǒng)上進(jìn)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(zhǎng)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(shí)，高功率光纖放大器的長(zhǎng)期穩(wěn)定性得到了有效改善，同時(shí)表明了Ce的添加對(duì)PD和附加熱負(fù)荷的抑制作用。

在5.04千瓦輸出功率下測(cè)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(guò)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(lái)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