1 引言
光纖構型的激光介質具有大的體面積，有利于介質散熱，具有近衍射極限的光束質量，可實現全光纖化設計，系統結構簡單，轉換效率高，具有小型化、輕量化優勢，易于滿足工業加工、醫療應用需求。隨著雙包層摻鐿光纖和半導體激光器(LD)的發展，光纖激光器的輸出功率得到了迅速的提高。對于1070 nm 波段的摻鐿光纖激光器，目前通用的抽運源為915 nm 或976 nm 波段的半導體激光器(LD)。然而LD 的亮度不高，且915 nm或976 nm激光抽運摻鐿光纖時具有較高的量子虧損，導致其熱效應非常嚴重。相對于LD，1018 nm光纖激光具有極高的亮度，作為摻鐿光纖抽運源可極大提升注入抽運功率水平以及改善增益光纖的熱效應。2009 年，IPG 公司采用多路1018 nm 光纖激光抽運摻鐿光纖實現了單纖單模萬瓦輸出。摻鐿光纖在1018 nm 波段的發射截面很小，在1018 nm 實現激光輸出時自發輻射(ASE)會比較嚴重，且容易出現其他波段的自激現象，因此，這方面報道的文章并不是很多。雖然在2009 年IPG 公司就實現了270W 的1018nm 激光輸出，但未進行公開報道。在國內，2011 年，Li 等報道了7.5 W 的1018 nm 光纖激光器， 斜率效率約為16%。2013 年，王一礡等采用15/130 μm 的雙包層摻鐿光纖獲得了22.8 W 的1018 nm 光纖激光，光光轉換效率為62.8%。2013年，Xiao等采用30/250 μm 的雙包層摻鐿光纖實現了309 W 的1018 nm 激光輸出。
本文實驗研究了增益光纖長度、光纖布拉格光柵的反射率以及增益光纖的芯包比等參數對1018 nm 激光性能的影響，并基于15/130 μm 的國產雙包層摻鐿光纖，獲得了155 W 的1018 nm 激光輸出，光光轉換效率為71%。
2 實驗原理及裝置
1018 nm 激光實驗系統結構如圖1 所示，整個系統采用全光纖結構，采用一對光纖布拉格光柵作為諧振腔振蕩，抽運源采用976 nm 的LD，采用光纖合束器將抽運光耦合至增益光纖。光纖布拉格光柵中心波長位于1018 nm，高反光柵(HR)反射率大于99%，低反光柵(OC)反射率為10%或16%。增益光纖采用Nufern 公司10/130 μm 和國產15/130 μm 雙包層摻鐿光纖(YDF)，纖芯/包層數值孔徑均為0.07/0.46。包層模剝離器(CPS)用來剝離剩余的抽運光。輸出端切8°角用來防止端面的回光。
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3 實驗結果與討論
3.1 增益光纖長度對1018 nm 激光性能的影響
實驗中，采用纖芯/包層直徑大小為10/130 μm 的雙包層摻鐿光纖(YDF1)作為增益介質，利用一對中心波長位于1018 nm，反射率分別為99%和10%的光纖布拉格光柵作為諧振腔，將抽運光注入增益光纖后測試了YDF1在不同長度下的光譜特性，1018 nm 光纖激光器在不同YDF1長度下的輸出光譜如圖2所示。從圖2(a)中可以看出，當YDF1長度為8 m 時，摻鐿光纖未實現1018 nm 激光輸出，且在1050~1070 nm 存在兩個自激振蕩峰。將YDF1 長度減短至3 m 后，從圖2(b)中可以明顯的看出，在1018 nm 激光輸出的同時，1033 nm 波段也有自激振蕩產生。從圖2(c)中可以看出，當YDF1長度為2 m 時，在獲得1018 nm 激光的同時自激振蕩也得到了有效的抑制。
以上現象可以這樣解釋：對于石英基摻鐿光纖，一般來說，Yb3+的發射峰值位于1030 nm 左右，而Yb3+在1018 nm 波段的吸收截面要遠遠高于1030~1070 nm。因此，1018 nm 波段的小信號增益要遠遠低于1030~1070 nm 波段，雖然在實驗中采用了一對中心波長位于1018 nm 的光纖布拉格光柵作為諧振腔，即使光纖布拉格光柵在1030~1070 nm 波段沒有反射，但是由于光纖端面或熔接點處會存在菲涅耳反射和瑞利散射，如果光纖長度過長，自發輻射增益增強，1018 nm 激光與自發輻射在增益競爭中會處于不利的地位。所以在實驗中當YDF1 長度過長時只有自激振蕩輸出而沒有1018 nm 激光輸出，當YDF1 光纖長度縮短后獲得了1018 nm 激光輸出。實驗結果表明，對于雙包層摻鐿光纖，可通過減小光纖長度使短波長激光獲得更大增益，進而獲得1018 nm 激光輸出。3.2 OC 的反射率對1018 nm 激光性能的影響
從之前實驗結果可知，HR 和OC 反射率分別為99%和10%，當YDF1 長度優化至2 m 時可獲得高信噪比的1018 nm 激光，其激光功率隨抽運功率的變化關系如圖3所示，在注入抽運功率為17.68 W 時獲得了5.1 W的1018 nm 激光，光光轉換效率為29%，但由于光纖長度過短，其抽運光吸收較少，導致其激光功率不高且效率偏低。
采用中心波長位于1018 nm，反射率分別為99%和16%的HR 和OC 作為諧振腔，使用YDF1 作為增益介質進行了進一步的實驗研究，將YDF1 長度為優化至3 m 時獲得了高信噪比的1018 nm 激光輸出，沒有明顯的自發輻射產生。其激光輸出功率隨抽運功率的變化關系如圖3所示，當注入抽運功率為17.68 W 時獲得了11 W 的1018 nm 激光，光光轉換效率達到了62%。從圖3中可以看出，相對于反射率為10%的OC，采用反射率為16%的OC 后其激光器功率和效率提升了一倍多。
激光起振需滿足增益大于等于損耗，對于全光纖激光振蕩系統，腔內損耗主要來自于OC 的透射率，增加OC 反射率可降低1018 nm 激光的損耗和閾值，有利于1018 nm 激光起振以及其他波段ASE 的抑制，進而可以提升激光器的轉換效率。但OC 的反射率也不能太高，當激光在腔內形成穩定振蕩時，增益等于損耗，較低的損耗會導致其激光增益過低，進而降低激光器效率。因此，在搭建1018 nm 全光纖激光振蕩系統時，需要對OC 反射率進行優化，從而在獲得高信噪比激光的同時也獲得較高的轉換效率。
3.3 增益光纖芯包比對1018 nm 激光性能的影響
摻鐿光纖的自發輻射峰值位于1030 nm 波段，根據理論計算，摻鐿光纖在1030 nm 增益可表示為式中G1030 和G977 分別為摻鐿光纖在1030 nm 和977 nm 波段的增益，β 為摻鐿光纖的包層和纖芯的直徑比，α為抽運吸收系數。從式中可以看出，采用較高芯包比的摻鐿光纖可以更好地抑制自發輻射增益，而且芯包比的增加會還會提高增益光纖對抽運光的吸收效率。
實驗中，增加了增益光纖的芯包比，采用纖芯/包層直徑大小為15/130 μm 的雙包層摻鐿光纖(YDF2)作為增益介質，利用一對中心波長位于1018 nm，反射率分別為99%和10%的HR 和OC 作為諧振腔，在注入抽運光后測試了其激光性能。優化了增益光纖長度，當YDF2 長度為5 m 時獲得了高信噪比的1018 nm 激光，其光譜圖如圖4 所示，從圖中可以看出，有明顯的1018 nm 激光輸出，未觀察到ASE 和自激振蕩現象。激光輸出功率隨抽運功率的變化關系如圖5所示，從圖中可以看出其光光轉換效率隨抽運光的增加而增加，這是因為隨著抽運功率的增加，抽運光的中心波長逐漸向976 nm 波段移動，使得摻鐿光纖的吸收效率提升，從而使激光器光光轉換效率提升。當抽運功率為217 W 時，其激光輸出功率達到了154.8 W，光光轉換效率為71%。可以看出，對于相同的實驗系統，相對于10/130 μm 的雙包層摻鐿光纖，采用15/130 μm 的雙包層摻鐿光纖后激光器的效率得到了較大的提升。理論和實驗結果表明，增加增益光纖的芯包比可以更好地抑制自發輻射以及提升激光器的效率。由于較大的纖芯會帶來更多的激光模式并降低激光亮度，所以增益光纖芯包比也不易過大。4 結論
搭建了1018 nm 全光纖激光振蕩系統，實驗研究了增益光纖長度、光纖布拉格光柵的反射率、增益光纖芯包比等參數對1018 nm 激光性能的影響。研究表明，短的增益光纖長度有利于短波長激光輸出，通過優化增益光纖長度可獲得1018 nm 激光輸出，但是較短的光纖長度會導致激光器轉換效率過低。對于10/130 μm的雙包層摻鐿光纖，將低反布拉格光柵反射率由10%增加至16%后激光器輸出功率和效率提升了約一倍，實驗研究表明，對于1018 nm 光纖激光振蕩系統，可通過優化低反光纖光柵反射率來提升激光器的效率。理論和實驗結果表明，通過增加增益光纖的芯包比可以提升抽運光吸收效率以及更好的抑制自發輻射，進而可提高1018 nm 光纖激光器的效率。利用一對中心波長位于1018 nm，反射率分別為99%和10%的光纖光柵作為諧振腔，采用芯包比為15/130 μm 的國產雙包層摻鐿光纖作為增益介質，在抽運功率為217 W 時，獲得了大于150 W 的激光輸出，光光轉換效率為71%，自發輻射和自激振蕩得到了有效的抑制