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利用啁啾倾斜布拉格光栅对半10千瓦串列泵浦光纤激光器中受激拉曼散射的有效抑制
Meng Wang, Zefeng Wang, Le Liu, Qihao Hu, Hu Xiao and Xiaojun Xu
在过去的几年中，光纤激光器的平均功率已经扩大到千瓦级。然而，受激拉曼散射(SRS)仍然是限制进一步功率提升的主要因素。据我们所知，我们首次展示了使用啁啾倾斜光纤布拉格光栅(CTFBG)实现半10千瓦串联泵浦光纤放大器对SRS的抑制。将设计和制造好的CTFBG插入种子激光器和放大级之间，观察到在不降低激光效率的情况下，最大SRS抑制比大于15dB。使用单个CTFBG的输出功率3.5kW、光束质量M2因子大于2提高到输出功率为3.9kW、光束质量M2因子约为1.7;在使用两个CTFBG的情况下，有效功率达到4.2kw，增幅为20%，M2因子约为1.8。然而1018nm泵浦源功率和性能限制了进一步的功率提高，这项研究为高功率全光纤激光器提供了一种有效的抑制方法，对进一步扩展这些系统的功率有所帮助。
1.导言
高功率光纤激光器由于其近衍射限制光束的光束质量、结构紧凑、效率高、稳定性好和稳定性好等优点，在许多应用领域得到了广泛的关注。近二十年来，随着泵浦光亮度和双包层光纤制造技术的发展，光纤激光器的输出功率有了显著的提高。然而，进一步增加输出功率可能仍然受到泵浦源，非线性效应，光学损伤和热诱导模态不稳定(TMI) 的限制。串联泵浦技术是一种很有前景的解决亮度限制和模式不稳定性问题的方法， 2009年被用于实现第一台10kw级单模光纤激光器。串联泵浦光纤激光器是近年来的研究热点。但是受激拉曼散射(SRS)仍然是进一步提高串联泵浦光纤激光系统功率和可靠性的主要限制因素之一。SRS效应会在光纤的前向和后向传播方向产生斯托克斯波。一旦达到SRS阈值，前向斯托克斯光会迅速增长，导致信号功率下降。而大功率后向传输的斯托克斯光对种子振荡器和光纤元件造成危害，严重影响整个系统的正常运行。因此，SRS的控制或抑制对于进一步提高光纤激光器的输出功率至关重要。
到目前为止，在光纤激光系统中已经提出了许多抑制SRS的方法，如扩大大模场(LMA)光纤的光纤模场分布面积，光谱选择性光纤的相关应用，或集成的光谱滤波器，如长周期光纤光栅(LPFGs)。LMA光纤在早期用于抑制SRS，却受到限制。理论上，扩大光纤模式面积是抑制SRS的有效技术。然而，增益光纤的芯径过大会导致光纤激光器的TMI阈值降低，这也成为光纤激光器功率提高的一个重要限制因素。此外，模式控制需要较低的数值孔径，这给光纤材料和制造技术带来了新的挑战。光谱选择性光纤通常具有高度复杂的设计，同时也受到最大光纤芯尺寸的限制。这对于光纤激光系统的实际大规模应用是相当困难的。与光谱选择性光纤相似，集成光谱滤波器在斯托克斯波长处具有较高的损耗，是一种有前途的设计和生产方便的方法。通过将拉曼光从芯模耦合到包层模，长周期光纤光栅具有良好的滤波性能，但由于许多交叉敏感性引起的不稳定性限制了它们的应用。特别设计的CTFBGs可以为光纤激光器中的SRS抑制提供另一个有趣的选择。与LPFGs相比，CTFBGs具有连续的宽带光谱、较好的稳定性和易于调节的波长范围，可以根据不同的倾斜角度进行调节，以满足不同的要求。已经提出并讨论了基于CTFBGs的宽带可调带阻滤波器的概念。在以往的工作中，我们在单模HI1060上制作了用于抑制光纤放大器中SRS的CTFBGs，初步的实验结果表明，CTFBGs可以作为一种有效的SRS滤波器件。然后，我们尝试了CTFBG和大模场直流光纤的结合，这为基于CTFBG的高功率光纤激光系统的SRS抑制奠定了基础。
在本文中，我们首先展示了使用CTFBGs的高功率串联泵浦光纤激光放大器中SRS的抑制。采用旋转相位掩模法在LMA光纤中制作了CTFBG，并根据光纤激光器的工作波长设计了滤波中心波长。在种子激光器和放大器之间插入CTFBG，可以有效地抑制SRS实现光谱中大于15 dB ，且不会降低激光效率，这对提高输出功率和光束质量有很大帮助。单个CTFBG的有效输出功率由3.5kW提高到3.9kW，两个CTFBG的有效输出功率提高到4.2kW，光束质量保持良好，M2因子约为1.7。激光输出功率可以通过改善1018nm泵浦源的功率和性能得到进一步提高。本文的工作为大功率全光纤激光器的SRS抑制提供了一种有效的方法，将来可以采用串联的CTFBG级联技术进行功率提升。
2.实验装置
通过旋转相位掩模方法用紫外(UV)激光束刻蚀CTFBGs。利用准分子激光器(COMPexPro110，Coherent公司生产，使用KrF)产生248nm的紫外光，最后通过柱面透镜聚焦在啁啾相位掩模版上。至于倾斜，我们只是围绕光束轴旋转相位掩模版。无源20/400光纤的光敏性不足以让我们刻写CTFBG，取而代之的是相应的光敏20/400光纤，它与无源20/400光纤匹配良好，可用于大功率光纤系统。在刻写过程中，准分子激光器产生的紫外线单脉冲能量为120mJ，重复频率为36hz。根据模拟结果，我们以4°作为相位掩模的倾斜角度。使用周期为785.8 nm且啁啾率为2 nm/cm的线性啁啾相位掩模版。
图1显示了我们实验中使用的两种CTFBG的透射光谱。从图1中可以看出，光纤放大器的dB带宽分别为13.44 nm和13.74 nm，包层模包络的中心深度在1133.2 nm处均大于30 dB，与光纤放大器的SRS峰值波长匹配良好。通过标准截止方法测量1080nm处的插入损耗为0.39dB和0.5dB。布拉格共振峰的残余反射在1144.5nm的波长处均小于5%。此外，我们还测试了随着CTFBG的激光功率增强的温度和温度的中心波长移动。结果表明，该光纤光栅具有良好的温度稳定性，波长漂移系数约为6pm/℃，冷却封装温度约为34℃，工作功耗为300w，波长1080nm，满足了长期大功率工作的要求。
图1.用于下列实验的 CTFBG 的测量光谱:(a)CTFBGⅠ和(b) CTFBGⅡ
用于抑制串联泵浦光纤放大器中SRS的实验结构如图2所示。本系统的种子激光器是由976nm激光二极管(LDs)泵浦的自制全光纤激光振荡器。线性激光腔由一对中心反射波长为1080nm的光纤布拉格光栅和一个芯层/包层直径为20/400mu;m的增益光纤组成。高反射光纤布拉格光栅(FBG)的反射率为99.9%，输出耦合光纤布拉格光栅(OC)的反射率为9%。使用的增益光纤长度为13米。将光纤光栅的输出端口直接熔接到合成器的信号端口，为放大器提供种子功率，并在此制作包层光剥离器(CLS)，以避免未吸收的后向泵浦激光注入种子激光器。合成器和放大器的增益光纤的信号芯层/包层直径为30/250微米。在我们的实验中，活性纤维的长度被选择为41米，以确保足够的总泵浦吸收。两个自制的3000w 1018nm光纤激光器组合使用作为泵源。放大后的信号功率由一个尾部的端盖引出，端盖与增益光纤连接以消除输出端面可能的有害反馈。另一个CLS也在端盖的连接点之前制造，以提供对端盖的保护。在端盖之后，我们使用功率计和光学频谱分析仪分别记录功率和光学频谱。在种子激光器和放大器之间插入一个或两个CTFBG，都没有任何其他改变。
图 2.串联泵浦光纤放大器中抑制 SRS 的实验配置。
3.实验结果和讨论
A.单个CTFBG的性能
首先，我们用一个CTFBG来测试我们的光纤放大器的性能。有效的种子功率(注入放大器)以180w作为它的工作点。放大器输出功率随泵浦的变化曲线，输出光谱和光束质量如图3所示。图3(a)显示了在不同泵浦水平下没有CTFBGs的变化光谱。总输出功率为3490 w，最大泵浦功率为4190 w。接近1134nm的斯托克斯光,对应于1080nm的拉曼信号，在泵浦功率为2980w时可观察到，然后迅速增加。如图3(e)所示，当泵浦功率达到4190 w时，发生TMI，导致光束质量与SRS一起下降。除了插入CTFBGⅠ之外，没有任何变化，输出光谱如图3(b)所示。由于两个连接点和插入的CTFBG的总损耗，我们必须提高种子激光器的输出功率以满足其工作点的要求。在我们的实验中，间接引起的损失约为0.8 dB。正是光纤类型的不匹配，即20/400和30/250光纤，导致了相对较大的损耗。总输出功率为3900w，最大泵浦功率为4790w。在泵浦功率为3900w时开始观察到斯托克斯光，这意味着达到了更大的拉曼阈值。结果表明，在相同的泵浦电平下，有CTFBG的激光器中斯托克斯光的能级低于没有CTFBG的情况，在较高的功率电平下，拉曼信号受到强烈的抑制。与之前的研究结果相比，即使在最大泵浦功率情况下，由CTFBG的剩余布拉格共振峰引起的拉曼随机激光器也没有被激发。这是种子激光器在工作点的低拉曼噪声水平造成的差异。图3(c)显示了在泵浦功率为3900w时归一化光谱的比较。在没有CTFBG和有CTFBG的情况下，信号和Stokes光之间的差值分别为15和30 dB，这意味着在这个功率级上对光谱的抑制比为15分贝。图3(d)显示了通过光谱积分计算的输出光谱中信号含量的比率，我们将其命名为信号比。在没有CTFBG的情况下，可以观察到较大的曲线变化，但是由于信号比较大，我们几乎看不到斜率效率的下降。图3(e)显示了放大器输出激光功率中没有和有CTFBGs的泵浦功率的比值。两者的斜率效率均为79%。由于Stokes光与总输出功率之比较低，在光束质量下降之前，输出几乎没有什么差别，斜率效率几乎相同。我们停止了一个CTFBG的测量，因为光谱中的Stokes电平太高了。对于没有CTFBG的情况，除了上述原因，退化的光束剖面也使我们停止测量。图3(e)还显示了不使用或使用CTFBGⅠ时的光束质量和输出轮廓。当泵浦功率达到4190w时，光束质量迅速下降，M2因子从无CTFBGⅠ的1.60变为2以上，而插入CTFBGⅠ后，光束质量几乎没有变化。即使在最大泵浦功率为4790w的情况下，M2因子仍然保持在1.7，比没有CTFBG的情况要好得多，输出功率也得到了提高，达到了400w。在这里，用CTFBG改善光束质量主要是由于在系统中抑制了SRS，这导致了TMI阈值的延迟。研究人员发现，通过抑制SRS，TMI被减轻并超过TMI阈值，并且增加拉曼斯托克斯与信号束的强度比直接影响到更强的束形失真。实验结果表明，CTFBGs可以实际应用于SRS抑制和进一步增强高功率光纤放大器系统的输出功率。
图3.随着泵浦功率的增加，输出光谱发生变化(a)没有和(b)插入CTFBG，并比较在泵浦功率3490w时的光谱，(d)信号比，(e)输出功率对泵浦功率的比值，以及输出的光束质量和外形。
B.两个CTFBG的性能
接下来，我们用插入的两个CTFBG来测试我们的光纤放大器的性能。由于种子激光的性能和两个CTFBG的插入损耗，有效的种子功率被固定为130w作为它的工作点。功率变化曲线，输出光谱和光束质量如图4所示。图4(a)显示了在不同泵浦水平下CTFBGⅠ的变化光谱。总输出功率为3870w，泵浦功率为4790w，除CTFBG插入外没有任何变化，输出光谱如图4(b)所示。最大有效输出功率达到4250w，泵浦功率为5370w。结果表明，在相同的泵浦电平下，斯托克斯光的能级低于只有CTFBGⅠ的能级，拉曼信号在较高的功率电平下受到强烈的抑制。与上述情况类似，即使在最大泵浦功率下，由剩余Bragg共振峰引起的拉曼随机激光器也没有被激发。图4(c)显示了在泵浦功率为4790w时归一化光谱的比较。信号与Stokes光的差值分别为14分贝和29分贝，这意味着对光谱的抑制比为15分贝。图4(d)显示信号内容在输出频谱中的比例，通过频谱积分计算。输出功率与放大器级泵浦功率如图4(e)所示。两者具有相同的激光斜率效率79%。类似于上述情况，只有一个CTFBG，由于Stokes光与总输出功率的比例很小，也没有什么差别，因此斜率效率几乎相同。图4(e)还显示了只有CTFBGⅠ和两种CTFBG的光束质量和输出轮廓。在这两种情况下，在光束质量方面可以观察到很小的差异，并且在光束质量降解之前，M2因子约为1.80。当泵浦功率达到4800w左右时，只用CTFBGⅠ光束质量迅速下降，而插入CTFBGⅡ光束质量几乎没有变化。即使在最大输出功率为4250w的情况下，由于1018nm泵浦光源的功率和性能的限制，M2因子仍然维持在1.8。实验结果证明了CTFBGs抑制SRS的有效性和优越性及其在实际大功率光纤放大系统中的广泛应用价值，并且一个接一个的CTFBGs级联是抑制SRS和进一步扩展功率的有效方法。对于额外的大功率应用，最重要的问题可能是CTFBG的插入损耗，这将导致种子的功率损耗和自身的温度升高。通过优化刻录系统，可以为高功率光纤激光器制造更好的CTFBG。
图 4.随着(a) CTFBGⅠ和(b) CTFBGⅠ和Ⅱ都插入，随着泵浦功率的增加，输出光谱发生变化。比较光谱在泵浦功率4790w，(d)信号比，(e)输出功率对泵浦功率与 CTFBGⅠ或两个CTFBG 连同光束质量和输出形状。
4.结论
我们首次在半10kw串联泵浦光纤放大器中展示了在LMA直流光纤中刻写CTFBGs对SRS的抑制作用，通过设计和制造CTFBGs来匹配1080nm光纤激光器的峰值拉曼波长。种子光纤激光器中的拉曼噪声被种子级和放大级之间插入的CTFBG得到有效的抑制，导致放大器的拉曼阈值增大。在不降低激光效率的情况下，有效地抑制了SRS实现频谱中大于15db，这对提高激光输出功率和光束质量有很大的帮助。一个CTFBG的有效输出
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