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(shí)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(shí)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(shí)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(shí)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(shí)現(xiàn)了309 W 的1018 nm 激光輸出。
本文實(shí)驗(yàn)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(shí)驗(yàn)原理及裝置
1018 nm 激光實(shí)驗(yàn)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。
3 實(shí)驗(yàn)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(shí)驗(yàn)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(shí)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(shí)驗(yàn)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(diǎn)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(shí)驗(yàn)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(shí)驗(yàn)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。
