1 引言
光纖構(gòu)型的激光介質(zhì)具有大的體面積，有利于介質(zhì)散熱，具有近衍射極限的光束質(zhì)量，可實現(xiàn)全光纖化設(shè)計，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單，轉(zhuǎn)換效率高，具有小型化、輕量化優(yōu)勢，易于滿足工業(yè)加工、醫(yī)療應(yīng)用需求。隨著雙包層摻鐿光纖和半導(dǎo)體激光器(LD)的發(fā)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(yùn)源為915 nm 或976 nm 波段的半導(dǎo)體激光器(LD)。然而LD 的亮度不高，且915 nm或976 nm激光抽運(yùn)摻鐿光纖時具有較高的量子虧損，導(dǎo)致其熱效應(yīng)非常嚴(yán)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(yùn)源可極大提升注入抽運(yùn)功率水平以及改善增益光纖的熱效應(yīng)。2009 年，IPG 公司采用多路1018 nm 光纖激光抽運(yùn)摻鐿光纖實現(xiàn)了單纖單模萬瓦輸出。摻鐿光纖在1018 nm 波段的發(fā)射截面很小，在1018 nm 實現(xiàn)激光輸出時自發(fā)輻射(ASE)會比較嚴(yán)重，且容易出現(xiàn)其他波段的自激現(xiàn)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(xiàn)了270W 的1018nm 激光輸出，但未進(jìn)行公開報道。在國內(nèi)，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(zhuǎn)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(xiàn)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(shù)對1018 nm 激光性能的影響，并基于15/130 μm 的國產(chǎn)雙包層摻鐿光纖，獲得了155 W 的1018 nm 激光輸出，光光轉(zhuǎn)換效率為71%。
2 實驗原理及裝置
1018 nm 激光實驗系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1 所示，整個系統(tǒng)采用全光纖結(jié)構(gòu)，采用一對光纖布拉格光柵作為諧振腔振蕩，抽運(yùn)源采用976 nm 的LD，采用光纖合束器將抽運(yùn)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(chǎn)15/130 μm 雙包層摻鐿光纖(YDF)，纖芯/包層數(shù)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(yùn)光。輸出端切8°角用來防止端面的回光。
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3 實驗結(jié)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(zhì)，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(yùn)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(dāng)YDF1長度為8 m 時，摻鐿光纖未實現(xiàn)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(chǎn)生。從圖2(c)中可以看出，當(dāng)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(xiàn)象可以這樣解釋：對于石英基摻鐿光纖，一般來說，Yb3+的發(fā)射峰值位于1030 nm 左右，而Yb3+在1018 nm 波段的吸收截面要遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于1030~1070 nm。因此，1018 nm 波段的小信號增益要遠(yuǎn)遠(yuǎn)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(fā)輻射增益增強(qiáng)，1018 nm 激光與自發(fā)輻射在增益競爭中會處于不利的地位。所以在實驗中當(dāng)YDF1 長度過長時只有自激振蕩輸出而沒有1018 nm 激光輸出，當(dāng)YDF1 光纖長度縮短后獲得了1018 nm 激光輸出。實驗結(jié)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(jìn)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(jié)果可知，HR 和OC 反射率分別為99%和10%，當(dāng)YDF1 長度優(yōu)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(yùn)功率的變化關(guān)系如圖3所示，在注入抽運(yùn)功率為17.68 W 時獲得了5.1 W的1018 nm 激光，光光轉(zhuǎn)換效率為29%，但由于光纖長度過短，其抽運(yùn)光吸收較少，導(dǎo)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(zhì)進(jìn)行了進(jìn)一步的實驗研究，將YDF1 長度為優(yōu)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(fā)輻射產(chǎn)生。其激光輸出功率隨抽運(yùn)功率的變化關(guān)系如圖3所示，當(dāng)注入抽運(yùn)功率為17.68 W 時獲得了11 W 的1018 nm 激光，光光轉(zhuǎn)換效率達(dá)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(tǒng)，腔內(nèi)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(jìn)而可以提升激光器的轉(zhuǎn)換效率。但OC 的反射率也不能太高，當(dāng)激光在腔內(nèi)形成穩(wěn)定振蕩時，增益等于損耗，較低的損耗會導(dǎo)致其激光增益過低，進(jìn)而降低激光器效率。因此，在搭建1018 nm 全光纖激光振蕩系統(tǒng)時，需要對OC 反射率進(jìn)行優(yōu)化，從而在獲得高信噪比激光的同時也獲得較高的轉(zhuǎn)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(fā)輻射峰值位于1030 nm 波段，根據(jù)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(yùn)吸收系數(shù)。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(fā)輻射增益，而且芯包比的增加會還會提高增益光纖對抽運(yùn)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(zhì)，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(yùn)光后測試了其激光性能。優(yōu)化了增益光纖長度，當(dāng)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(xiàn)象。激光輸出功率隨抽運(yùn)功率的變化關(guān)系如圖5所示，從圖中可以看出其光光轉(zhuǎn)換效率隨抽運(yùn)光的增加而增加，這是因為隨著抽運(yùn)功率的增加，抽運(yùn)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(zhuǎn)換效率提升。當(dāng)抽運(yùn)功率為217 W 時，其激光輸出功率達(dá)到了154.8 W，光光轉(zhuǎn)換效率為71%。可以看出，對于相同的實驗系統(tǒng)，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(jié)果表明，增加增益光纖的芯包比可以更好地抑制自發(fā)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(jié)論
搭建了1018 nm 全光纖激光振蕩系統(tǒng)，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(shù)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(yōu)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(dǎo)致激光器轉(zhuǎn)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(tǒng)，可通過優(yōu)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(jié)果表明，通過增加增益光纖的芯包比可以提升抽運(yùn)光吸收效率以及更好的抑制自發(fā)輻射，進(jìn)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(chǎn)雙包層摻鐿光纖作為增益介質(zhì)，在抽運(yùn)功率為217 W 時，獲得了大于150 W 的激光輸出，光光轉(zhuǎn)換效率為71%，自發(fā)輻射和自激振蕩得到了有效的抑制