全光纤激光器光束质量的优化_董繁龙

纤 的 归 一 化 频 率ν＝３．４９（波 长λ＝１．０８μｍ）。 由 光纤的模式理论分析 可 知，该 光 纤 只 能 容 纳 ＬＰ０１
本文搭建了全光纤结构激光器。该激光器采 用谐 振 输 出 的 方 式，纤 芯 为 ２０μｍ 的 双 包 层 光 纤，输出功率为 ３００ Ｗ。 为 了 获 得 更 好 的 光 束 质 量，对激光光束在 光 纤 中 传 输 时 径 向 功 率 分 布 的 变化进行了实验 研 究，探 究 了 包 层 光 功 率 的 大 小 对输出光束质量的影响。
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光学 精密工程
第 ２２卷
图 ２ 激 光 器 的 输 出 特 性 Ｆｉｇ．２ Ｏｕｔｐｕｔ ｃｈａｒｉｃｔｅｒｉｓｔｉｃｓ ｏｆ ａｌｌ－ｆｉｂｅｒ ｌａｓｅｒ
行 了 理 论 分 析 ，并 通 过 改 变 激 光 器 的 结 构 ，从 实 验 上找出了影响激光器光束质量的因素。
光器的 斜 效 率 为 ７２．１％，在 最 大 泵 浦 功 率 为 ４３６ Ｗ 的条件下，激光 输 出 为 ３００ Ｗ，光－光 转 换 效 率 为６８．６％。另外，利用 ＰＲＩＭＥＳ光束诊断仪测量 了激光功率为３００ Ｗ 时 的 光 束 质 量，结 果 如 图 ２ 所示，光束质量 Ｍ２＝１．１３。
本文对激光束沿光纤径向的功率分布特性进
ｃｏｒｅ ｆｉｂｅｒ
收 稿 日 期 ：２０１３－０６－２６；修 订 日 期 ：２０１３－０８－２５． 基 金 项 目 ：国 家 科 技 重 大 专 项 资 助 项 目 （Ｎｏ．２０１０ＺＸ０４０１３－０５２）；科 研 基 地 －科 技 创 新 平 台 －光 纤 激 光 器 研 究 平 台 资 助 项
目（Ｎｏ．ＰＸＭ２０１１＿０１４２０４＿０９＿００００６０）
第４期
董 繁 龙 ，等 ：全 光 纤 激 光 器 光 束 质 量 的 优 化
ห้องสมุดไป่ตู้
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１ 引 言
随着大模场 面 积 双 包 层 掺 杂 光 纤、高 亮 度 激 光二极管泵浦技术［１］、泵浦合束器、光纤光栅 等 关 键技术与器件的 研 究 工 作 取 得 突 破 性 进 展，高 功 率全光纤化的光纤激光器的输出功率不断提 高［２－６］。２００５年，ＩＰＧ 公司 采 用 一 级 振 荡、两 级 放 大的方式，率先实现了１．９６ｋＷ 的单模单纤激光 输出，光束质量 Ｍ２＝１．２ ［７］。２００９ 年，该 公 司 又 采用多级放 大 的 方 式 实 现 了 １０ｋＷ 的 单 模 单 纤 激光 输 出，光 束 质 量 Ｍ２＜１．３［８］。 在 国 内 高 功 率 光纤激光器的研 究 起 步 相 对 较 晚，但 近 年 来 也 取 得了突破性进展，多 家 单 位 已 经 成 功 实 现 了 千 瓦 级以上的输出。２００９年，中 科 院 西 安 光 机 所 采 用 一级振荡、两 级 放 大 的 方 式 实 现 了 单 纤 １ｋＷ 的 激光 输 出，其 光－光 转 换 效 率 为 ６２％［９］。２０１１ 年， 国防科技 大 学 光 电 学 院 采 用 单 谐 振 腔 方 式 实 现 １ｋＷ的激 光 输 出，其 光－光 转 化 效 率 为 ６８％［１０］， 但光束质 量 均 未 见 报 道。２０１２ 年，中 电 集 团 １１ 所采用双 端 泵 浦 单 谐 振 腔 的 方 法，获 得 了 １ｋＷ 的激光输出，光束质量 Ｍ２≈１．４［１１］。
２ 全光纤激光器结构和输出特性
全光纤连续激光器的结构如图１所示。泵浦 源为１８个功率为２５ Ｗ、波长为９７５ｎｍ 的带尾纤 输出的半导体激光 器，经 １９×１ 泵 浦 合 束 器 合 束 后，对２０ ｍ 长 的 Ｎｕｆｅｒｎ 纤 芯／包 层 为 ２０／４００ 大 模场面积双包层 掺 镱 光 纤 进 行 泵 浦，该 增 益 光 纤 的 泵 浦 吸 收 系 数 为 １．２６ｄＢ／ｍ。 采 用 一 对 光 纤 光 栅作为谐振腔反射镜，其 中 全 反 光 栅 对 １ ０８０ｎｍ 波长激光的反射率为９９％，透 射 光 栅 的 反 射 率 为 １０％。在输出 端 帽 前 采 用 ＩＴＦ 公 司 的 包 层 功 率 剥 离 器 （Ｃｌａｄｄｉｎｇ Ｐｏｗｅｒ Ｓｔｒｉｐｐｅｒ，ＣＰＳ）对 包 层 光 进行了剥除。
Ｏｐｔｉｍｉｚａｔｉｏｎ ｏｆ ｂｅａｍ ｑｕａｌｉｔｙ ｆｏｒ ａｌｌ－ｆｉｂｅｒ ｌａｓｅｒｓ
ＤＯＮＧ Ｆａｎ－ｌｏｎｇ＊ ，ＺＨＡＯ Ｆａｎｇ－ｚｈｏｕ，ＧＥ Ｔｉｎｇ－ｗｕ，ＷＡＮＧ Ｚｈｉ－ｙｏｎｇ
（Ｎａｔｉｏｎａｌ Ｃｅｎｔｅｒ ｏｆ Ｌａｓｅｒ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，Ｉｎｓｔｉｔｕｔｅ ｏｆ Ｌａｓｅｒ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ， Ｂｅｉｊｉｎｇ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ ｏｆ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，Ｂｅｉｊｉｎｇ１００１２４，Ｃｈｉｎａ）
纤纤芯的光功率填充因子Γ 的计算公式为：
［ ］ Γ＝ＰＰｔｃｏｏｔｒａｅｌ＝ｂ １－Ｊｌ＋１（ν
Ｊｌ（ν 槡１－ｂ） 槡１－ｂ）Ｊｌ－１（ν 槡１－ｂ）
，
（１）
其中：ｂ＝ｎｎ２ｅｆｆ２１－－２ｎｎ２２２２ 为 归 一 化 的 相 位 常 数。 因 此，
光纤包层中的光功率所占比例为１－Γ 。
实验 中 Ｎｕｆｅｒｎ ＬＭＡ－２０／４００ 大 模 场 面 积 光
＊Ｃｏｒｒｅｓｐｏｎｄｉｎｇ ａｕｔｈｏｒ，Ｅ－ｍａｉｌ：ｆａｎｌｏｎｇｄ＠ｅｍａｉｌｓ．ｂｊｕｔ．ｅｄｕ．ｃｎ
Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｏｎ ｔｈｅ ｂａｓｉｓ ｏｆ ｌａｓｅｒ ｓｔｒｕｃｔｕｒｅｓ，ｆａｃｔｏｒｓ ａｆｆｅｃｔｉｎｇ ｏｎ ｔｈｅ ｂｅａｍ ｑｕａｌｉｔｙ ｗｅｒｅ ｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔａｌｌｙ ｅｘｐｌｏｒｅｄ ｔｏ ｉｍｐｒｏｖｅ ｔｈｅ ｂｅａｍ ｑｕａｌｉｔｙ ｏｆ ｆｉｂｅｒ ｌａｓｅｒｓ．Ａ ｈｕｎｄｒｅｄ－ｗａｔｔｓ ｃｌａｓｓ ａｌｌ－ｆｉｂｅｒ ｌａｓｅｒ ｗｉｔｈ ａｎ ｏｕｔ－ ｐｕｔ ｐｏｗｅｒ ｏｆ ３００ Ｗ ａｔ １ ０８０ｎｍ ｗａｓ ｂｕｉｌｔ ｗｈｅｎ ｔｈｅ ｍａｘｉｍｕｍ ｐｕｍｐ ｐｏｗｅｒ ｗａｓ ４３６ Ｗ．Ｔｈｅ ｂｅａｍ ｑｕａｌｉｔｙ（Ｍ２）ｗａｓ ｔｅｓｔｅｄ，ａｎｄ ｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔｓ ｓｈｏｗ ｔｈａｔ ｔｈｅ Ｍ２ ｉｓ １．１３ａｎｄ ｏｐｔｉｃａｌ－ｏｐｔｉｃａｌ ｃｏｎｖｅｒｓｉｏｎ ｅｆｆｉ－ ｃｉｅｎｃｙ ｉｓ ６９％ ．Ｔｈｅｎ，ｔｈｅ ｃｈａｎｇｅ ｏｆ ｔｈｅ ｒａｄｉａｌ ｐｏｗｅｒ ｄｉｓｔｒｉｂｕｔｉｏｎ ｏｆ ｔｈｅ ｌａｓｅｒ ｂｅａｍ ｔｈａｔ ｔｒａｎｓｐｏｒｔｅｄ ｉｎ ａ ｆｉｂｅｒ ｗａｓ ｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔａｌｌｙ ａｎａｌｙｚｅｄ．Ｔｈｅ ｒｅｓｕｌｔ ｓｈｏｗｓ ｔｈａｔ ｔｈｅ ｃｌａｄｄｉｎｇ ｌｉｇｈｔ ｐｏｗｅｒ ｉｎｃｒｅａｓｅｓ ｉｎｉｔｉａｌｌｙ ａｎｄ ｒｅｍａｉｎｓ ｃｏｎｓｔａｎｔ ａｆｔｅｒｗａｒｄｓ ａｓ ｔｈｅ ｔｒａｎｓｍｉｓｓｉｏｎ ｄｉｓｔａｎｃｅ ｏｆ ｌａｓｅｒ ｂｅａｍ ｉｎｃｒｅａｓｅｓ ｉｎ ｔｈｅ ｆｉｂｅｒ． Ｔｈｅｒｅｆｏｒｅ，ｄｉｆｆｅｒｅｎｔ ｂｅａｍ ｑｕａｌｉｔｉｅｓ ｃａｎ ｂｅ ｏｂｔａｉｎｅｄ ａｆｔｅｒ ｓｔｒｉｐｐｉｎｇ ｔｈｅ ｃｌａｄｄｉｎｇ ｌｉｇｈｔ ａｔ ａｎｙ ｓｅｌｅｃｔｅｄ ｔｒａｎｓｍｉｓｓｉｏｎ ｄｉｓｔａｎｃｅ．Ｉｎ ａｄｄｉｔｉｏｎ，ｔｈｅ ｈｉｇｈｅｒ ｌａｓｅｒ ｏｕｔｐｕｔ ｐｏｗｅｒ ｃａｎ ｂｅ ｏｂｔａｉｎｅｄ ｗｈｅｎ ｔｈｅ ｃｌａｄｄｉｎｇ ｌｉｇｈｔ ｓｔｒｉｐｐｅｒ ｉｓ ｓｅｔ ｉｎｓｉｄｅ ｉｎｓｔｅａｄ ｏｆ ｏｕｔｓｉｄｅ ｏｆ ｔｈｅ ｃａｖｉｔｙ ｕｎｄｅｒ ｔｈｅ ｓａｍｅ ｐｕｍｐｉｎｇ ｃｏｎｄｉｔｉｏｎｓ．Ｈｏｗｅｖ－ ｅｒ，ａ ｗｏｒｓｅ ｂｅａｍ ｑｕａｌｉｔｙ ｉｓ ｌｅｆｔ ｉｎ ｔｈｉｓ ｃａｓｅ．Ｆｉｎａｌｌｙ，ａ ｂｅｔｔｅｒ ｂｅａｍ ｑｕａｌｉｔｙ Ｍ２ ａｔ １．０７ｉｓ ｏｂｔａｉｎｅｄ ｂｙ ｓｅｔｔｉｎｇ ｔｗｏ ｃｌａｄｄｉｎｇ ｌｉｇｈｔ ｓｔｒｉｐｐｅｒｓ ｏｕｔｓｉｄｅ ａｎｄ ｉｎｓｉｄｅｒ ｔｈｅ ｃａｖｉｔｙ，ｒｅｓｐｅｃｔｉｖｅｌｙ． Ｋｅｙ ｗｏｒｄｓ：ｆｉｂｅｒ ｌａｓｅｒ；ａｌｌ－ｆｉｂｅｒ ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ；ｂｅａｍ ｑｕａｌｉｔｙ；ｃｌａｄｄｉｎｇ ｌｉｇｈｔ ｓｔｒｉｐｐｅｒ；ｔｈｅｒｍａｌｌｙ ｅｘｐａｎｄｅｄ
第 ２２ 卷 第 ４ 期 ２０１４年４月
光学 精密工程
Ｏｐｔｉｃｓ ａｎｄ Ｐｒｅｃｉｓｉｏｎ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ
Ｖｏｌ．２２ Ｎｏ．４
Ａｐｒ．２０１４
文 章 编 号 １００４－９２４Ｘ（２０１４）０４－０８４４－０６
全光纤激光器光束质量的优化
３ 光纤导波模式的径向功率分布
通常情况下，该 项 研 究 关 注 的 是 纤 芯 中 的 光 功率在总功率中 所 占 的 比 重，即 光 纤 纤 芯 的 光 功 率填充 因 子 Γ。 基 于 弱 导 波 模 的 方 法，Ｇｌｏｇｅ［１２］ 的 研 究 已 经 得 到 了 精 确 度 在 纤 芯－包 层 折 射 率 差 量级内的结 果。 对 于 一 个 特 定 的 导 波 模 式，其 光
董繁龙＊ ，赵方舟，葛廷武，王智勇
（北京工业大学 激光工程研究院 国家产学研激光技术中心，北京 １００１２４）
摘要：基于激光器的结构，实验研究了影响光束质量的因素。搭建了百瓦级全光纤激光器，在最大泵浦功率为４３６ Ｗ 的条 件下，在１ ０８０ｎｍ 处获得的激光输出为３００ Ｗ，光－光转换效率为６９％，光束质量 Ｍ２ 为１．１３。实验研究了谐振腔出射的激 光光束在传能光纤中传输时径向功率分布的变化，结果显示：随着光束 在 光 纤 中 传 输 距 离 的 增 加，光 纤 中 的 包 层 光 功 率 呈 现 出 先 增 加 后 保 持 不 变 的 趋 势 ，因 而 在 传 输 距 离 上 选 择 不 同 的 长 度 对 包 层 光 进 行 剥 除 ，可 以 获 得 不 同 的 光 束 质 量 。 实 验 还 显 示 ，在 相 同 的 泵 浦 条 件 下 ，与 包 层 光 剥 离 器 设 置 在 腔 外 相 比 ，其 设 置 在 谐 振 腔 内 可 获 得 更 高 的 激 光 输 出 功 率 ，但 是 光 束 质 量较差。最后，采用在腔内腔外各加一个包层光剥离器的方法获得了更好的光束质量，此时 Ｍ２ 为１．０７。 关 键 词 ：光 纤 激 光 器 ；全 光 纤 结 构 ；光 束 质 量 ；包 层 光 剥 离 ；加 热 扩 芯 光 纤 中 图 分 类 号 ：ＴＮ２４８．１ 文 献 标 识 码 ：Ａ ｄｏｉ：１０．３７８８／ＯＰＥ．２０１４２２０４．０８４４