楊敬文,張培培,呂曉英,韓桂云,張雪蓮,王曉龍,張 鵬,黃榜才

(1.中國(guó)電子科技集團(tuán)公司第四十六研究所,天津 300220;2.中電晶銳(天津)激光科技有限公司,天津 300220)

1 引 言

高功率光纖激光器具有轉(zhuǎn)換效率高、光束質(zhì)量好、工作壽命長(zhǎng)、熱管理簡(jiǎn)單、結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)靈活等諸多優(yōu)點(diǎn),在工業(yè)加工、醫(yī)療、科研、軍事等領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用。最初,高功率連續(xù)光纖激光器大多采用空間耦合泵浦的方式實(shí)現(xiàn)。這種非全光纖化的光纖激光器工作時(shí),光纖端面要同時(shí)承受泵浦光和輸出激光的雙重功率,因此可靠性較差[1-2]。同時(shí)這種非全光纖激光器對(duì)工作環(huán)境要求高,使用及維護(hù)不方便,這些不利因素嚴(yán)重限制了其大規(guī)模商業(yè)應(yīng)用。近幾年,隨著光纖合束器、光纖光柵等關(guān)鍵器件的研究工作取得突破性進(jìn)展,使全光纖化的光纖激光器在商業(yè)應(yīng)用方面得到大規(guī)模的推廣[3-5]。目前,中高功率光纖激光器核心元器件的國(guó)產(chǎn)化工作也取得了重大突破。例如,北京凱普林光電公司、大族天成有限公司等公司的研發(fā)生產(chǎn)的泵浦源已經(jīng)滿足常用研發(fā)及生產(chǎn)應(yīng)用；深圳朗光科技、西安中科匯纖等公司研制的泵浦合束器、QBH等中高功率光無源器件已經(jīng)非常成熟。國(guó)內(nèi)很多科研機(jī)構(gòu)比如長(zhǎng)飛、光迅科技、中電46所等研制的大芯徑傳能光纖、大芯徑摻雜光纖雖有多年的光纖研究基礎(chǔ),但光纖的光光效率、光暗化等具體指標(biāo)與國(guó)外主流光纖廠家仍有較大差距,同時(shí)國(guó)內(nèi)光纖廠家一直沒有性能穩(wěn)定的產(chǎn)品供應(yīng)市場(chǎng)。近年來,中電46所加大了在特種光纖方面的研發(fā)投入,經(jīng)過廣大科研工作者的努力,2016年最新研制光纖的性能指標(biāo)已經(jīng)達(dá)批量工業(yè)應(yīng)用的水平。本文所介紹的實(shí)驗(yàn)中,所有光器件均為國(guó)產(chǎn),其中使用了中電46所研制20/400大芯徑摻鐿光纖,光光轉(zhuǎn)換效率達(dá)到71%,達(dá)到光纖激光器正常光光效率范圍,打破了中高功率光纖激光器核心器件國(guó)外壟斷的局面。

2 實(shí)驗(yàn)方案

本文所研究的光纖激光器采用諧振腔振蕩輸出,其核心光器件均為國(guó)產(chǎn)器件,實(shí)驗(yàn)原理圖如圖1所示。泵浦源為16支國(guó)產(chǎn)泵浦LD,單支泵浦LD輸出功率為65 W,輸出尾纖為105/125 μm,中心波長(zhǎng)為915 nm。泵浦光合束采用兩級(jí)合束的方式,合束器為中電46所自己拉制。一級(jí)泵浦合束采用了4支4×1合束器,其單臂承受功率為80 W。二級(jí)合束器采用(6+1)×1合束器,其單臂承受功率為300 W,輸出尾纖為20/400 μm尾纖,最大可以承受2000 W泵浦光功率。該激光器諧振腔由纖芯、包層直徑分別為20 μm、400 μm的增益光纖和一對(duì)光纖光柵(FBG)組成。高反光柵(HR FBG)中心波長(zhǎng)為1080.8 nm,反射率99.7%,3dB帶寬為3.2 nm。輸出耦合光柵(OC FBG)中心波長(zhǎng)為1080.04 nm,反射率為9.4%,3dB帶寬為1.3 nm,光纖光柵由朗光科技公司提供。增益光纖采用中電46所的20/400摻鐿雙包層光纖,該光纖在泵浦光915 nm處的吸收系數(shù)為0.4 dB/m。諧振腔振蕩輸出光中含有包層光成分,采用自制的包層光剝除器(CPS)在諧振腔與QBH之間,將腔內(nèi)剩余泵浦光剝除干凈。為防止反饋光,采用中電46所自制的QBH作為輸出端。功率計(jì)為Newport公司5 kW功率計(jì)。

圖1 實(shí)驗(yàn)原理圖

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

實(shí)驗(yàn)過程中首先對(duì)16支泵浦源的輸出功率進(jìn)行了測(cè)試,在(6+1)×1合束器輸出尾纖后,測(cè)試得到泵浦源輸出功率為1062.6 W。國(guó)內(nèi)泵浦源工藝經(jīng)過多年的發(fā)展,泵浦源封裝工藝已經(jīng)有了很大提高,其中光電輸出效率可以達(dá)到50%以上。圖2為泵浦電流與輸出泵浦光變化曲線圖。

圖2 輸出泵浦光功率與泵浦電流的變化曲線圖

將整個(gè)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)搭建完成后,測(cè)試得到激光輸出功率與泵浦光功率變化關(guān)系曲線,如圖3所示。泵浦功率為1062.6 W時(shí),最大輸出激光功率為758 W,其中電光效率可以達(dá)到38%,光光效率為71.3%。由圖3可以看出,泵浦光功率與輸出激光功率具有較好的線性關(guān)系,增大泵浦光功率有潛力能夠?qū)崿F(xiàn)更高激光功率的輸出。這充分說明中電46所研制的雙包層摻鐿增益光纖已經(jīng)滿足工業(yè)化批量生產(chǎn)的要求。輸出激光光譜如圖4所示,輸出激光中心波長(zhǎng)為1.08 μm,譜寬為2.55 nm。圖5為輸出激光β因子圖,分別為近場(chǎng)光斑與遠(yuǎn)場(chǎng)光斑測(cè)試圖,其數(shù)值為1.3,屬于準(zhǔn)單模高功率連續(xù)光纖激光器。

圖3 輸出激光功率與泵浦光功率的變化曲線圖

圖4 輸出激光光譜圖

圖5 輸出激光β因子圖

該實(shí)驗(yàn)平臺(tái)系統(tǒng)經(jīng)過3 h連續(xù)工作,沒有明顯的光功率下降現(xiàn)象,后期檢驗(yàn)測(cè)試部門又經(jīng)過32 h的滿功率連續(xù)激光輸出,激光器輸出功率波動(dòng)范圍小于2%。實(shí)驗(yàn)結(jié)果充分證明中電46所研制的20/400 μm雙包層摻鐿增益光纖已經(jīng)滿足了工業(yè)化應(yīng)用,其光-光效率、光暗化、數(shù)值孔徑等各項(xiàng)參數(shù)指標(biāo)已達(dá)到國(guó)內(nèi)領(lǐng)先水平,打破了國(guó)外對(duì)大芯徑光纖的壟斷,為光纖激光器核心光器件的國(guó)產(chǎn)化邁出了關(guān)鍵的一步。

下面將同種類型及型號(hào)的Nufern光纖與中電46所研制的光纖按照原理圖1實(shí)驗(yàn),對(duì)結(jié)果與數(shù)據(jù)進(jìn)行分析。圖6為 Nufern光纖與46所光纖輸出功率對(duì)比圖,在泵浦光為1062.6 W時(shí),Nufern光纖可以輸出835 W激光,46所增益光纖輸出激光為758 W。圖7為兩種光纖的功率穩(wěn)定性測(cè)試,通過數(shù)據(jù)圖可以明確的知道,Nufern光纖與中電46所光纖在30 min的測(cè)試過程中激光輸出功率都沒有明顯的變化?？傊?國(guó)產(chǎn)泵浦源、合束器,光纖光柵,增益光纖,QBH等光器件已經(jīng)可以滿足現(xiàn)階段工業(yè)化批量生產(chǎn)應(yīng)用的要求。隨著國(guó)產(chǎn)光纖近年來的不斷發(fā)展,積累了豐富的數(shù)據(jù)經(jīng)驗(yàn),相信在不久的將來國(guó)產(chǎn)光纖將會(huì)迅速占領(lǐng)光纖市場(chǎng),打破國(guó)外對(duì)大芯徑光纖的壟斷。

圖6 Nufern光纖與46所光纖輸出功率對(duì)比圖

圖7 為兩種光纖的功率穩(wěn)定性測(cè)試

4 結(jié) 論

由以上實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明,國(guó)產(chǎn)中高功率光纖激光器的核心光器件,比如泵浦源、合束器、光纖光柵、增益光纖、QBH等,都可以滿足現(xiàn)階段市場(chǎng)需求。同時(shí)可以清楚地知道中電46所研制的20/400摻鐿雙包層增益光纖在各項(xiàng)參數(shù)方面已經(jīng)滿足工業(yè)化批量應(yīng)用的要求。這標(biāo)志著光纖激光器核心元器件的國(guó)產(chǎn)化又邁出了重要的一步,打破了增益光纖完全依賴進(jìn)口的局面。同時(shí),我們?nèi)匀灰吹絿?guó)產(chǎn)光器件與世界先進(jìn)水平之間的差距。這些不足之處將來會(huì)影響光纖激光器核心光器件的產(chǎn)業(yè)化布局。

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