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如何优化光纤激光振荡器的特性？

光电汇OESHOW

2020-06-28

导读：get新技能

掺镱光纤激光振荡器是当前工业应用较多的一类连续激光器，单模的光纤激光振荡器可以直接用于材料切割，多个单模激光器通过功率合束得到更高功率的多模激光器在激光切割、熔覆等领域得到应用。

对于当前工业使用的光纤激光振荡器，我们会看到，其中心波长一般在1070 nm或者1080 nm，高反射光纤光栅反射率在99%，低反射光纤光栅反射率约10%。这是经过多年的理论和实践得到的较好的激光器设计参数。

在这里，我们利用国防科技大学与中科院软件所开发的国产光纤激光仿真软件SeeFiberLaser（简称SFL），对工业常用的光纤激光振荡器主要参数进行仿真；根据仿真结果，可以对激光器进行优化设计。

一、光纤振荡器的主要结构与仿真参数设置

图1给出了采用双端抽运掺镱双包层光纤激光振荡器结构。光纤耦合半导体激光器（LD，Laser Diode）为激光器提供抽运源，利用前向抽运功率合束器（FPSC，Forward Pump and Signal Combiner）和后向抽运功率合束器（BPSC，Backward Pump and Signal Co mbiner）将低功率的LD合束得到更高功率的抽运光后，注入到光纤激光谐振腔中。

图1 线性腔掺镱双包层光纤振荡器结构图

光纤激光谐振腔由高反射光纤光栅（HR FBG，High Reflection Fiber Bragg Grating）、掺镱光纤（DCYDF，Double Cladding Ytterbium Doped Fiber）、输出耦合低反射光纤光栅（OC FBG，Output Coupler Fiber Bragg Grating）组成。

谐振腔内产生的激光，通过BPSC的信号光纤输出，然后利用包层光滤除器（CLS，Cladding light Stripper），最后经光纤端帽（EndCap）扩束输出。在实际实验中，高反射光栅反射率一般大于99%，低反射光栅反射率在10%左右，光纤光栅、增益光纤、光纤合束等器件的光纤纤芯包层尺寸需要匹配。

为了避免反馈光对激光器的影响，前向合束器（FPSC）的信号输出臂需要采用切斜8度角的措施，消除端面反馈导致的激光不稳定。

与图1对应，在SFL软件中，我们搭建如图2所示的双端抽运光纤激光振荡器仿真模型。

图2 光纤激光振荡器SFL模型

表1给出了仿真中的主要参数，为了对激光器进行优化，表1中光纤光栅中心波长、低反射光纤光栅反射率、增益光纤长度、抽运光中心波长都是需要根据仿真进行优化的数值，其他参数则是固定的。

根据光纤激光器的三要素：增益介质、谐振腔、抽运源，我们分别从增益光纤长度、谐振腔中心波长、谐振腔低反射光纤光栅反射率、抽运源中心波长四个方面进行仿真，以获得相应参数的最优值。

二、双端抽运光纤振荡器的仿真与优化

1 增益光纤长度对输出激光特性的影响仿真与优化

在激光器设计中，增益光纤长度是需要优化的对象之一。给定抽运激光中心波长为975 nm，光纤光栅对中心波长为1080 nm、低反射光纤光栅的反射率为10%。改变增益光纤长度10 m、15 m、20 m，仿真不同增益光纤长度时激光输出特性。

图3给出了三种不同光纤长度情况下输出激光的光谱特性。结合输出功率，三种情况下激光输出特性参数：受激拉曼散射（简称SRS）抑制比（SRS与信号峰值之差）、残留抽运光、输出功率总结如表2所示。

图3 不同增益光纤长度时1080 nm光纤激光器输出光谱

根据表2，可以看出，随着光纤长度增加，SRS抑制比越来越小，残留抽运光越来越少，但是输出功率会先增加后减少。

综合包层光滤除器承受功率、激光器输出功率和SRS抑制比，对于设定的参数，选择增益光纤长度在15 m左右最佳。实际上，我们还可以继续仿真不同长度的增益光纤，进一步细化和优化光纤长度。

2 激光器中心波长对输出激光特性的影响仿真与优化

在光纤激光振荡器设计中，首先要考虑激光器的中心波长。因此，这里我们首先在给定抽运激光中心波长为975 nm，增益光纤长度为15 m，低反射光纤光栅反射率为10%时，改变光纤光栅对的中心波长，从1050 nm到1090 nm，仿真不同中心波长时激光器输出特性。

由于不同激光波长主要影响的是量子效率和放大自发辐射（简称ASE）特性，仿真中首先给出了激光输出光谱，如图4所示。仿真结果表明，随着光纤光栅对中心波长增加，输出激光的ASE会逐渐减弱。

图4 不同中心波长时光纤激光器输出光谱

根据计算结果，我们可以读取ASE/SRS与信号峰值差（检测ASE/SRS抑制比）和在光纤端帽输出的激光功率，相关数据记录于表3所示。

从表3可知，随着光栅中心波长的增加，ASE和SRS的抑制能力越来越好，但输出激光功率先增加后减少，在中心波长为1070 nm时，有最大的输出功率。尽管在中心波长为1090 nm时的SRS抑制比较好，但是由于量子效率偏低，使得输出功率也偏低。

根据仿真结果，我们在实际激光器研制中，优先选择1070 nm和1080 nm的作为激光器的中心波长。值得注意的是，由于掺镱光纤发射截面随着波长的增加而减少， 1080 nm的SRS抑制能力比1070 nm好。那么，如果对SRS要求严格，可以选择1080 nm作为激光的中心波长。

3 低反射光栅反射率对输出激光特性的影响仿真与优化

除了中心波长，低反射光栅反射率也是需要考虑的因素。我们首先在给定抽运激光中心波长为975 nm，增益光纤长度为15 m，光纤光栅对中心波长为1080 nm。改变低反射光纤光栅对的反射率，从5%、10%、15%到30%，仿真不同情况下激光器输出特性。首先给出仿真得到的光谱特性，如图5所示。

图5 不同低反射光栅反射率时1080 nm光纤激光器输出光谱

我们发现，随着低反射光纤光栅反射率的提高，输出光谱的SRS成分增加。SRS光谱与信号光谱峰值差别（SRS抑制比）从45.6 dB降低到了27.8 dB。查看仿真得到的输出功率，发现光纤光栅反射率从5%提高到30%时，输出功率从1598.52 W降低到1463.82 W。

光谱和输出功率的结果，与一般的激光器结果似有些矛盾，一般激光中，输出功率越高，SRS成分才会越强。然而，这里，输出功率越低，SRS成分越强，这是什么原因呢？为了理解这个问题，我们给出如图6所示的谐振腔内功率分布。

图6 不同光纤长度时1080 nm光纤激光器输出光谱

从图6可知，当低反射光纤光栅反射率较低时，反馈回谐振腔内的激光功率较低。在反射率为5%时，腔内最高功率为1593 W，当反射率为30%时，腔内最高功率达到了2206 W，这个功率也高于激光器从最终光纤端帽输出的功率。高的腔内功率会产生较强的SRS，因此，这里，随着低反射光纤光栅反射率的提升，激光器输出功率越低、但是SRS越强。

将不同反射率对应的SRS抑制比，腔内最高功率、最终输出功率总结如表4所示，可以直观看出反射率与SRS抑制比和输出功率的关系。从表4可知，为了提升激光器输出功率，我们一般选择反射率较低的低反射光纤光栅。但是这并不意味着反射率越低越好，因为在激光器中，还需要避免其他波段反馈导致的自激，尤其当光纤切角为0°时，端面会有4%的反射率。因此，一般低反射光纤光栅反射率要大于5%，实际中选择6%-12%对输出的影响不是太大。

4 抽运波长对输出激光特性的影响仿真与优化

根据掺镱光纤激光器的吸收发射截面可知，掺镱光纤主要在915 nm和975 nm波段有较好的吸收。一般情况，增益光纤在975 nm是915 nm处吸收系数的3倍左右，如果为了达到相同的总吸收系数，意味着采用915 nm抽运时，增益光纤长度是采用975 nm抽运时光纤长度的3倍。

这里，固定激光中心波长1080 nm，低反射光纤光栅反射率10%，我们仿真了975 nm抽运15 m增益光纤和915 nm抽运30 m、38.5 m和45m增益光纤得到输出光谱和谐振腔内功率的结果，如图7所示。

图7 975 nm和915 nm抽运时不同光纤长度输出光谱与谐振腔功率分布

结果表明，为了使得915 nm抽运时的残余抽运光功率降低到975 nm抽运的水平，增益光纤长度需要38.5 m。此时，915 nm抽运时，输出SRS抑制比为27.6 dB，输出功率为1351.1 W，与975 nm抽运时相比，SRS抑制比和输出功率明显下降。

根据仿真结果对比，可以比较清楚得知，采用975 nm波段抽运比915 nm波段抽运时，输出功率和SRS抑制比都要好，而且由于光纤长度缩短，还可以降低成本。尽管这里仿真的抽运波长是固定的，在实际中，非稳波长975 nm LD中心波长可能有偏移，增益光纤实际长度可能要稍微长一些，但是并不影响这里仿真的结论。