Page 35 - 网络电信2020年7月刊上

解 决 方 案

530W 全光纤结构连续掺铥光纤激光器

刘茵紫 邢颍滨 廖雷 王一礴 彭景刚 李海清 戴能利 李进延
华中科技大学，武汉光电国家研究中心

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摘要：采用改进的化学气相沉积工艺结合溶液掺杂法制备了掺Tm 石英光纤预制棒，并拉制成芯/包尺寸约为
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25/400µm的双包层掺Tm 光纤，通过电子探针显微分析测得其中Tm 2 0 3 和Al 2 0 3 的浓度分别为2.6Wt.%和1.01Wt.%，在793
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nm处测得的包层吸收为3dB/m。基于上述大模场掺 Tm 光纤，搭建了一个高功率全光纤主振荡功率放大结构的掺Tm 光
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纤激光器，窄线宽掺Tm 种子源经过一级放大后，最高输出功率达到530W，对应的斜率效率为50%，输出激光的中心波
长为1980.89nm。实验中没有观察到明显的放大自发辐射和非线性效应，输出功率仅受限于泵浦功率。该结果为目前
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国内2µm波段全光纤结构激光器实现的最高输出功率，验证了国产掺Tm 石英光纤在高功率系统中的可靠性。
关键词：光纤制备，光纤激光器，高功率掺铥光纤放大器

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一、引言 掺Tm 光纤放大器。2016年，德国Fraunhofer应用光学和精密
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与传统的固体激光器相比，光纤激光器有着许多优势， 工程研究所的Walbaum等 [10] 设计了一个基于商用三包层掺Tm 光
比如更为紧凑轻便、良好的光束质量、较大的表面积对体积 纤的全光纤振荡器，TDF的纤芯/第一内包层/第二内包层尺寸
比、可以实现有效的热管理和进一步的功率放大。近年来， 为25/40/400μm，输出功率为567W，斜率效率为49.4%，该系
高功率光纤激光器在激光光源的生产模式和材料加工等领域 统工作在多模运转模式下，峰值波长处的3dB带宽为180pm，这
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掀起了新的变革 [1-3] ，其中掺镱光纤激光器（ytterbium-doped 是目前报道的输出功率最高的掺Tm 光纤振荡器。2015年，本
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fiber laser, YDFL）最大输出功率已经超过了10kW 。具有 课题组采用改进的化学气相沉积（modified chemical vapor
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1700~2100nm超宽可调谐范围掺铥光纤激光器（thulium-doped deposition,MCVD）工艺制备了一根双包层掺Tm 石英光纤 [11] ，
fiber laser,TDFL）也引起了人们极大的兴趣，TDFL应用十 其芯/包尺寸为25/250μm，数值孔径（numerical aperture，
分广泛，比如激光雷达、自由空间通信、生物医疗以及作为 NA）为0.11，Tm 2 O 3 的掺杂浓度约为44000ppm(1ppm=1mg/L)，在
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掺钬光纤激光器或光学参量振荡器（OPO）的优秀泵浦源等 [5- 793nm处的包层吸收系数为3dB/m。利用4m该自制掺Tm 光纤，搭
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。基于成熟的制作工艺和成本控制，绝大多数高功率TDFL主 建了一个工作波长为1915nm的全光纤结构的振荡器，当泵浦功
要采用工作在793nm处的半导体激光器（laser diode, LD） 率为252W时，得到最大输出激光功率为121W，斜率效率为51%。
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进行泵浦，更重要的是，793nm泵浦方式对应的 H 4 ， H 6 → F 4 ， 2017年，复旦大学的Yao等 [12] 报道了一个全光纤窄线宽掺铥MOPA
3 F 4 能级跃迁过程中的交叉弛豫机制能够使TDFL克服41%的斯托 系统，采用芯/包尺寸为25/400μm的TDF作为放大级增益介质，
克斯极限。在应用需求的推动下，TDFL在国内外都经历了前 将3.5W的种子功率提高到400W，斜率效率为53%，中心波长为
所未有的发展，2010年，Q-peak公司的ThomasEhrenreich等 1941nm，输出光谱的3dB带宽为67pm。2018年，该课题组利用一
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报道了一个主振荡功率放大器（main-oscillator power- 个1×3合束器和一个3×1合束器，将三个最高输出功率为323，
amplifier,MOPA），该系统采用793nm泵浦方式，采用12m芯/ 305和229W的掺铥MOPA激光系统进行集成（非相干）合束输出，
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包尺寸为20/400μm的大模场掺Tm 光纤作为增益介质，种子 在总泵浦功率为1505W时，获得了790W的激光输出，合束系统的
注入功率为50W，经过两级放大后被提升到1kW，斜率效率为 斜率效率为52.2% [13] 。
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53.2%，工作波长为2050nm，这是目前国际上输出功率最高的 另一方面，目前掺Tm 光纤预制棒的制备方法主要有MCVD法

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