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高功率单模光纤激光器最新进展分析

时间:2017-11-11 11:36:14  来源:  作者:

导读: 如果说激光技术领域有一个明显的趋势,那就是光纤激光器的兴起。在高功率切割和焊接应用方面,光纤激光器已经从高功率 CO2 激光器和固体激光器手中抢占了大量市场份额。

如果说激光技术领域有一个明显的趋势,那就是光纤激光器的兴起。在高功率切割和焊接应用方面,光纤激光器已经从高功率 CO2 激光器和固体激光器手中抢占了大量市场份额。目前,一些主流的光纤激光器制造商正在探索许多新的应用,以满足更多市场需求。

在高功率光纤激光器中,单模系统具有令人满意的特性 :它们具有高的亮度,可以聚焦至几微米到最高的强度。它们还具有最大的焦深,这使它们最适合远程加工。然而它们难以制造,只有市场领先的美国IPG Photonics 公司才能提供具有单模10kW 功率的系统。不幸的是,没有关于其光束特性的细节,特别是可能与单模光束一起存在的任何可能的多模成分。

由德国政府资助、来自德国Friedrich Schiller University 和弗劳恩霍夫应用光学与精密工程研究所(Fraunhofer IOF)的科学家团队与德国通快公司、Active Fiber Systems 公司、 业 纳 公 司 和 Leibniz Institute ofPhotonic Technology 合作,分析了提升这种激光器功率的挑战,然后开发了新的光纤来克服这些限制。该团队成功地完成了一系列测试,展示了4.3kW 的单模输出,其中光纤激光器输出仅受到输入泵浦功率的限制。

 

抑制单模光纤激光提升的效应

这种单模大功率光纤激光器面临的挑战是什么?这些挑战主要可分为三个领域 :a)改进泵浦,b)设计具有低光学损耗且仅在单模运行下工作的有源光纤,以及 c)正确测量所得到的辐射。在本文中,我们假设挑战 a)可以通过高亮度激光二极管和适当的耦合技术得以解决,因此我们将主要精力聚焦在其他两个挑战领域。

在用于高功率单模运行的有源光纤设计中,有两组通用参数要优化 :掺杂和几何形状。必须确定所有参数以实现最小损耗、单模运行以及最后的高功率放大。完美的光纤放大器将提供超过90%的高转换率、完美的光束质量,以及仅由可用的泵浦功率限制的输出功率。

然而,将单模系统提升到较高功率可能导致激活纤芯内更高的功率密度,增加的热负载以及许多非线性光学效应,例如受激拉曼散射(SRS)和受激布里渊散射(SBS)。

最引人注目的是掺镱石英光纤典型的一种效应,并且在光纤激光器早期当光纤材料不像今天这样纯净时是众所周知的,这就是光致暗化。在该过程中,由于激光材料相互作用,在材料中形成缺陷中心或色心。这种效应是寄生的:它将泵浦光子转换成热,这导致较低的放大和增加的热负荷。

根据激活纤芯的尺寸,可以激发和放大几种横模。对于纤芯和包层之间给定的折射率阶跃,激活纤芯的截面越小,这些模式的数量就越小。然而,更小的直径也意味着更高的功率密度。一些技巧包括弯曲光纤增加高阶模式的损耗。

然而,对于较大的芯径,以及在热负载下,可能会出现其他模式。那些模式在放大期间经受相互作用,没有最佳传播条件,输出分布可能会在空间或时间上不稳定。

横模不稳定性

掺镱(Yb)光纤是高功率单模光纤激光器的典型主力介质。但超过一定的阈值,它们将显示出全新的效应,即所谓的横向模式不稳定性(TMI)。在特定功率水平下,突然出现高阶模式或甚至包层模式,能量在这些模式之间动态传递,并且光束质量降低。光束在输出端开始波动。

自从发现 TMI 以来,已经在从阶跃折射率光纤到光子晶体光纤的各种光纤设计中观察到 TMI。只有其阈值随几何形状和掺杂而变化,但粗略估计,这种效应在输出功率超过 1kW后才显现。与此同时,该效应与光纤内部的热效应相结合,与光致暗化效应有很强的相关性。此外,光纤激光器对 TMI 的敏感性似乎受到纤芯模态组成的影响。

阶跃折射率光纤的几何形状产生了许多用于优化的参数。纤芯直径、泵浦包层的尺寸,以及纤芯和泵浦包层之间的折射率差异,都可以调整。这种调谐取决于掺杂浓度,也就是说,Yb 离子的浓度可用于控制激活光纤中泵浦辐射的吸收长度。 可以添加其他掺杂剂以减少热效应,并控制折射率阶跃。

但有一些相反的要求。为了减少非线性效应,光纤应该更短。然而,为了减少热负荷,光纤应该更长。光致暗化随着掺杂浓度的平方增加,因此具有较低掺杂的较长光纤将更好。

有关这些参数的最初建议,可以在模拟中发现。一些参数,例如热行为,可以模拟但难以预测,尤其是因为光致暗化很低,并且不能通过加速测试来测量。因此,直接测量光纤中的热行为,将有助于实验的规划。

对于典型的有源光纤,图 2 给出了从光纤放大器内部同时分布式温度测量提取的测量热负荷与模拟热负荷的比较。为了准确地预测纵向温度曲线,假定仅有 2dB/km 的额外损耗,这显示了非常低的损耗。

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