影響高功率光纖激光器維修輸出功率的激光因素

 

　　光纖激光器具有輸出功率高、光束質(zhì)量好、熱管理方便、結(jié)構(gòu)緊湊等優(yōu)點(diǎn)，被廣泛應(yīng)用于工業(yè)激光加工、定向能、生物醫(yī)療、遠(yuǎn)距離探測等領(lǐng)域。

 

　　隨著雙包層光纖的發(fā)明和光纖器件性能的不斷改進(jìn)，光纖激光器的輸出功率在近年來迅速提升，其中單模光纖激光功率達(dá)到20 kW，多模光纖激光輸出功率達(dá)到100 kW[1]。進(jìn)一步提升連續(xù)光纖激光器的輸出功率受限于多種物理因素，如抽運(yùn)亮度、熱透鏡效應(yīng)、光致材料損傷、光子暗化、受激拉曼散射效應(yīng)和橫向模式不穩(wěn)定性，而對(duì)于工業(yè)高功率光纖激光器而言，主要面臨的物理問題是光子暗化、受激拉曼散射效應(yīng)和橫向模式不穩(wěn)定性。本文將對(duì)以上三個(gè)問題，淺談其基本物理圖像、診斷方法及抑制手段。

 

　　光子暗化

 

　　工業(yè)級(jí)大功率光纖激光器通常需要有一年以上的質(zhì)保期，這要求光纖激光器在長時(shí)間運(yùn)行后仍舊可以實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定的功率輸出，因此工業(yè)級(jí)大功率光纖激光器面臨的第一個(gè)物理問題是光子暗化。

 

　　光子暗化是指光纖激光器在長時(shí)間出光后摻雜光纖芯層背景損耗永久性增加的現(xiàn)象，這一現(xiàn)象普遍存在于稀土摻雜的硅酸鹽玻璃中，特別是摻鐿高功率光纖激光器。

 

　　圖1給出了典型的光纖激光器光子暗化過程[2]，隨著激光器出光時(shí)間增加，輸出功率逐漸下降，最后趨于穩(wěn)定，而長時(shí)間出光后功率下降超過20%。因此，工業(yè)級(jí)光纖激光器通常需要保留一定的功率冗余，以此抵消光子暗化帶來的功率下降。

 

　　圖1.光子暗化過程

 

　　除了引起輸出激光損耗增大外，光子暗化還會(huì)引起可見光波段損耗增大。圖2中對(duì)比了不同出光時(shí)間后1070 nm激光和633 nm激光的損耗[3]，可以看出633 nm激光的損耗約是1070 nm激光損耗的70倍，而633 nm激光正好是工業(yè)激光器常用的指示光（紅光），這說明光子暗化除了引起輸出功率下降之外，還會(huì)導(dǎo)致指示光變?nèi)趸蛘呦В@一點(diǎn)對(duì)于工業(yè)激光器是非常致命的。

 

　　圖2.1070 nm激光與633 nm激光光子暗化損耗對(duì)比

 

　　光子暗化的發(fā)生取決于纖芯的組成材料，可以通過改變纖芯的摻雜組分，例如共摻一定比例的鋁、磷或鈰等元素，可以顯著降低甚至消除光子暗化。對(duì)于光纖激光器的設(shè)計(jì)而言，減小光子暗化對(duì)光纖激光器的影響，可以通過抽運(yùn)方式和降低光纖的摻雜濃度來實(shí)現(xiàn)。

 

　　受激拉曼散射效應(yīng)

 

　　工業(yè)級(jí)大功率光纖激光器需要配備較長的能量傳輸光纖（通常大于10 m），將高功率激光傳輸至加工工件表面，實(shí)現(xiàn)大幅面的激光加工，而高功率激光在光纖內(nèi)長距離傳輸，則會(huì)引起另一個(gè)物理問題——受激拉曼散射效應(yīng)。

 

　　受激拉曼散射效應(yīng)（Stimulated Raman Scattering，簡稱SRS效應(yīng)），是激光在基質(zhì)傳輸過程中，光子與介質(zhì)產(chǎn)生相互作用，激光向長波轉(zhuǎn)換的過程。

 

　　按照虛能級(jí)理論，SRS過程可以被描述為：激光入射到介質(zhì)時(shí)，介質(zhì)分子被抽運(yùn)至虛能級(jí)，再向下躍遷至能量較高的振動(dòng)態(tài)，并發(fā)射低頻激光，這一過程對(duì)應(yīng)激光波長的轉(zhuǎn)換，例如1070 nm激光拉曼轉(zhuǎn)移至1121 nm激光，1080 nm激光拉曼轉(zhuǎn)移至1135 nm激光，如圖3所示。

 

　　圖3.SRS現(xiàn)象虛能級(jí)理論

 

　　單從輸出功率上并不能判定SRS現(xiàn)象是否出現(xiàn)，必須采用光譜儀測試輸出激光光譜。SRS現(xiàn)象的表現(xiàn)為在光譜上出現(xiàn)拉曼峰值，如圖4所示，隨著輸出功率升高，信號(hào)光會(huì)逐漸轉(zhuǎn)換為拉曼光，而最終輸出光譜里，信號(hào)光的功率僅占85%。

 

　　圖4.出現(xiàn)SRS現(xiàn)象后的輸出激光光譜

 

　　光纖激光器在進(jìn)行切割、焊接等加工應(yīng)用時(shí)，如果輸出光譜包含拉曼光，這些拉曼光會(huì)在工件表面反射，轉(zhuǎn)換成反向傳輸?shù)睦猓祷毓饫w激光器中，導(dǎo)致輸出功率下降、甚至損壞激光器件[4]，如圖5所示。

 

　　圖5.拉曼光對(duì)工業(yè)激光器的影響

 

　　SRS閾值與模場面積成正比，而與光纖激光總長度成反比，因此抑制SRS的常用方法即是采用大纖芯直徑的光纖和縮短增益光纖和傳能光纖總長度。

 

　　橫向模式不穩(wěn)定性

 

　　橫向模式不穩(wěn)定性（Transverse Mode Instability，簡稱TMI）是指激光在達(dá)到某一特定閾值后，纖芯中的基模開始與高階模式發(fā)生非線性耦合，輸出激光功率在基模與高階模式之間來回跳變，光束質(zhì)量急劇退化的現(xiàn)象，其物理過程如圖6所示。

 

　　圖6.橫向模式不穩(wěn)定

 

　　在高功率光纖振蕩器和放大器中，信號(hào)光基模和高階模式的模間拍頻，將在增益光纖纖芯中，產(chǎn)生縱向的周期性光強(qiáng)分布。隨著抽運(yùn)光注入、信號(hào)光被放大后，纖芯摻雜區(qū)域會(huì)形成周期性的抽運(yùn)光吸收，其產(chǎn)生的量子虧損會(huì)形成周期性震蕩的熱負(fù)載分布，最終形成周期性的溫度分布。由于熱光效應(yīng)，周期性的溫度分布會(huì)調(diào)制纖芯的折射率，形成熱致長周期折射率光柵。它將引起滿足相位匹配條件的信號(hào)光基模和高階模式發(fā)生非線性耦合，最終導(dǎo)致基模的功率向高階模式轉(zhuǎn)移。

 

　　TMI將引起激光器焦點(diǎn)光斑快速變化，引起激光加工質(zhì)量不穩(wěn)定，因此工業(yè)激光器必須抑制TMI。通常在光纖振蕩器中，TMI的出現(xiàn)會(huì)引起輸出功率滯漲，具體表現(xiàn)為，當(dāng)輸出功率達(dá)到特定閾值后，輸出功率隨抽運(yùn)功率增加而下降，如圖7(a)[5]所示。判定TMI是否出現(xiàn)，需要借助高速光電探測器和示波器，用高速探測器記錄輸出激光的功率曲線，并對(duì)其做傅立葉變換，得到輸出功率頻譜。當(dāng)頻譜中出現(xiàn)了特征頻率峰時(shí)，說明TMI已經(jīng)出現(xiàn)，如圖7(b)所示。

 

　　圖7.TMI引起的（a）功率滯漲（b）功率頻譜

 

　　抑制TMI的常用方法主要包括縮小光纖的彎曲半徑[6]和采用雙向抽運(yùn)[7]。縮小光纖的彎曲半徑可以增大高階模式的彎曲損耗，抑制高階模式產(chǎn)生。采用雙向抽運(yùn)，可以增大光纖的增益飽和效應(yīng)，減小高階模式的非線性增益。

 

　　光子暗化、SRS和TMI的物理關(guān)聯(lián)

 

　　光子暗化、SRS效應(yīng)和TMI雖然是不同的物理現(xiàn)象，但卻具有緊密的內(nèi)在關(guān)聯(lián)，這是由于三種物理現(xiàn)象都會(huì)改變光纖內(nèi)部的熱負(fù)載。

 

　　如圖8所示，光子暗化現(xiàn)象會(huì)增大光纖的背景損耗，導(dǎo)致光纖吸收信號(hào)光，提升光纖的熱負(fù)載；SRS效應(yīng)會(huì)使得信號(hào)光向拉曼光波段轉(zhuǎn)換，而這一過程會(huì)引入額外的量子虧損，引起光纖的熱負(fù)載增大；熱負(fù)載增大會(huì)進(jìn)一步強(qiáng)化纖芯中的熱致長周期折射率光柵，降低TMI閾值；因此當(dāng)光纖激光器出現(xiàn)光子暗化和SRS效應(yīng)時(shí)，也可能同時(shí)觸發(fā)TMI。

 

　　圖8.光子暗化、SRS和TMI的物理關(guān)聯(lián)

 

　　在抑制光子暗化和受激拉曼散射效應(yīng)后，TMI現(xiàn)象也隨之消失，輸出激光功率穩(wěn)定。圖9給出了大科激光3 kW單模激光器500小時(shí)烤機(jī)曲線，可以看出輸出功率穩(wěn)定，未出現(xiàn)光子暗化和TMI現(xiàn)象，其中的功率波動(dòng)有環(huán)境溫度變化引起。