用于千瓦级光纤激光器拉曼滤波的飞秒写入啁啾和倾斜光纤布拉格光栅

高功率光纤激光器以其稳定、紧凑、光束质量好等优点，在工业加工、科研等领域得到了广泛的应用。受激拉曼散射是限制高功率光纤激光器功率提升的主要因素之一。近年来，人们提出了一些抑制受激拉曼散射的方法，其中使用长周期光纤光栅、啁啾和倾斜光纤布拉格光栅作为光谱滤波器是简单有效的方法。然而，长周期光纤光栅对温度、应力和弯曲敏感，导致滤波性能相对不稳定。相比之下，啁啾和倾斜光纤布拉格光栅由于其更好的稳定性，已被用于千瓦级光纤激光器中，以抑制受激拉曼散射，并已成功实现商业化。传统的啁啾和倾斜光纤布拉格光栅的制造方法是紫外激光相位掩模技术，在写入啁啾和倾斜的光纤布拉格光栅前后需要对光纤进行氢加载和热退火，导致制造周期长。更重要的是，当热退火未完成时，光纤中残留的氢分子和羟基会吸收传播的激光并产生显著的热量，导致啁啾和倾斜的光纤布拉格光栅温度过高，限制了其功率处理能力。因此，啁啾和倾斜光纤布拉格光栅总是插入在光纤放大器的低功率种子源的输出端，以抑制受激拉曼散射，这限制了啁啾和倾斜光纤布拉格光栅的发展和应用。例如，在工业加工应用中，需要在高功率光纤激光器的输出端插入啁啾和倾斜的光纤布拉格光栅，以实现具有良好光谱纯度的长距离信号激光传输。为了提高高功率处理能力，研究人员提出了一些方法来减少啁啾和倾斜光纤布拉格光栅的加热。2019年，Jiao等人提出了一种特殊的退火方法，将基于20/400 µm大模面积双包层光纤的啁啾和倾斜光纤布拉格光栅的处理功率提高到千瓦水平，但退火时间超过30天。2020年，Song等人提出了一种复用啁啾和倾斜光纤布拉格光栅的刻字方法，并基于25/400 µm大模区双包层光纤制作了3.4 kW啁啾和倾斜光纤布拉格光栅，但这种刻字方法复杂，啁啾和倾斜纤布布拉格光栅由于物理长度460 mm，紧凑性较差。2021年，Zhao等人在20/400 μm大面积双包层光纤的基础上，使用强大的冷却封装实现了2 kW的啁啾和倾斜光纤布拉格光栅。显然，用紫外激光相位掩模技术制作高功率啁啾倾斜光纤布拉格光栅是一项困难而复杂的工作。

随着飞秒激光写入技术的发展，一种制造高功率光纤布拉格光栅的新方案已经问世。使用飞秒激光写入技术时，不需要加氢和热退火，可以大大缩短制造周期，完全避免氢分子和羟基引起的加热。此外，由于飞秒和紫外激光诱导的折射率变化机制不同，飞秒光纤布拉格光栅具有优异的耐高温性，使其对高功率传播激光产生的加热更具鲁棒性。到目前为止，用作腔镜的飞秒光纤布拉格光栅实现了高达8 kW的高功率处理能力，这充分验证了飞秒激光器在制造高功率光纤布拉格光栅方面的巨大优势。最近，研究人员提出了第一个用飞秒激光写入的啁啾和倾斜光纤布拉格光栅，但其功率处理能力尚未得到研究。

采用飞秒激光相位掩模技术，研究人员将啁啾和倾斜光纤布拉格光栅刻在20/400 µm大模面积双包层光纤上，并在刻之前剥离光纤涂层。来自激光源的准直的515 nm飞秒激光由一组反射镜反射，然后，将飞秒激光引导到焦距为25 mm的柱面透镜和周期为1577.4 nm、啁啾率为2 nm/cm的线性啁啾相位掩模上，最终聚焦到光纤芯中。光纤固定在压电平台上，通过压电平台的倾斜振动实现倾斜光栅结构。

同时，反射镜和柱面透镜也固定在一维平移台上，平移台的移动使飞秒激光沿着光纤轴扫描相位掩模，延长了光栅长度。研究人员对光栅长度为30 mm的飞秒啁啾和倾斜光纤布拉格光栅进行了内接，并使用放大自发发射源、光纤环形器和两个模场适配器测量了其在室温下的光谱，如图1(a)所示。当倾斜角为7.7°时，啁啾和倾斜光纤布拉格光栅的中心波长为1124 nm，其对应于1070 nm信号的一阶拉曼波长。啁啾和倾斜光纤布拉格光栅滤波带的3-dB带宽和最大深度分别为15.4 nm和23 dB。布拉格反射波长大于1140 nm，并尽可能远离滤波带，有利于获得更好的滤波效果。此外，研究人员还测量了飞秒啁啾和倾斜光纤布拉格光栅对温度的响应，如图1(b)所示。在45-125 °C的范围内，滤波带的中心波长偏移0.62 nm，相应的温度灵敏度约为8 pm/°C。与15.4 nm的滤波带带宽相比，0.62 nm的波长偏移非常小。此外，滤波带的光谱轮廓没有改变。因此，飞秒啁啾和倾斜光纤布拉格光栅对温度不是特别敏感。

 

图1 飞秒啁啾和倾斜光纤布拉格光栅在（a）室温和（b）不同温度下的光谱测量。

 

为了测试飞秒啁啾和倾斜光纤布拉格光栅的功率处理能力，研究人员建立了一个具有主振荡功率放大器结构的高功率光纤激光器，如图2所示。种子源是1070 nm的商用光纤振荡器且放大器级具有使用两个泵浦/信号组合器的双向泵浦配置。每个泵浦/信号组合器具有六个泵浦端口，这些泵浦端口与波长稳定的976 nm激光二极管拼接。芯/包层直径为20/400 µm的掺镱光纤的长度为13 m，以提供足够的泵浦吸收。两个包层光剥离器用于去除残留的后向和前向泵浦光。光纤激光器的输出光纤与端盖拼接，以消除有害的反馈。当插入飞秒啁啾和倾斜光纤布拉格光栅时，包层光剥离器和端盖之间的传输光纤长度缩短，以确保光纤激光系统的总光纤长度保持不变。

 

图2 具有主振荡器功率放大器结构的4 kW光纤激光器，用于测试飞秒啁啾和倾斜光纤布拉格光栅。

 

图3 在不同泵浦功率下测量的输出光谱（a）不带飞秒啁啾和倾斜光纤布拉格光栅和（b）带飞秒啁啾光纤布拉格光栅；（c） 没有飞秒啁啾和倾斜光纤布拉格光栅和有飞秒啁啾光纤布拉格光栅的输出光谱之间的差异；（d） 在没有和有飞秒啁啾和倾斜光纤布拉格光栅的情况下，在不同泵浦功率下的拉曼比。

 

图4显示了在没有飞秒啁啾和倾斜光纤布拉格光栅的情况下和有飞秒啁啾和倾斜光纤布拉格光栅时，光纤激光器的输出功率作为泵浦功率的函数。在功率提升过程中，相继应用了反泵浦和共泵浦。飞秒啁啾和倾斜光纤布拉格光栅在1070 nm信号波长下的插入损耗为0.03 dB（0.68%），因此，当泵浦功率较低时，飞秒啁啾和倾斜度光纤布拉格光栅的斜率效率基本不变。随着泵浦功率的增加，飞秒啁啾和倾斜光纤布拉格光栅的斜率效率由于拉曼光的滤波而略有下降，在5160 W的泵浦功率下，飞秒啁啾和倾斜纤维布拉格光栅的最大处理功率为3951 W。图4中的插图显示了在没有和有飞秒啁啾和倾斜光纤布拉格光栅的情况下，在不同输出功率下的输出激光束轮廓。在插入飞秒啁啾和倾斜光纤布拉格光栅后，激光束品质因子显示出最小的增长。考虑到在插入飞秒啁啾和倾斜光纤布拉格光栅后，熔接可能略微降低了光束质量，飞秒啁啾和倾斜光纤布拉格光栅对激光光束质量的总体影响可以忽略不计。

 

图4 在没有飞秒啁啾和倾斜光纤布拉格光栅的情况下，输出功率是泵浦功率的函数。插图：输出激光束轮廓。

 

图5 飞秒啁啾和倾斜光纤布拉格光栅的温度是光纤激光器不同运行中输出功率的函数。

 

表1 光纤激光器的最大输出功率和飞秒啁啾和倾斜光纤布拉格光栅在不同运行中的热斜率。

由于光纤激光器本身的热管理能力，光纤激光器不适合在最高功率下长期工作。因此，具有飞秒啁啾和倾斜光纤布拉格光栅的光纤激光器在3 kW输出功率下运行60分钟，以研究飞秒啁啾和倾斜度光纤布拉格光栅。图6(a)显示了60分钟内输出功率的变化。输出功率的波动很小。飞秒啁啾和倾斜光纤布拉格光栅在3 kW下工作60分钟后的热谱图，如图6(b)所示。飞秒啁啾和倾斜度光纤布拉格光栅的温度为47.1 °C，这意味着它只增加了1 °C。此外，飞秒啁啾和倾斜光纤布拉格光栅的热分布在不同的运行和处理功率期间基本保持不变，最高温度区域位于激光功率的输入端附近。因此，飞秒啁啾和倾斜光纤布拉格光栅在高功率下工作时具有优异的稳定性。

 

图6 飞秒啁啾和倾斜光纤布拉格光栅的稳定性测试。（a）在3 kW下60分钟的输出功率变化；（b）飞秒啁啾和倾斜光纤布拉格光栅在3 kW下工作60分钟后的热谱图。