高功率光纤激光器和放大器 High-power fiber lasers and amplifiers

2022-11-18 09:43:12 浏览:263

定义

具有高输出功率的光纤激光器和光纤放大器,例如大于 100 W。

虽然第一台光纤激光器只能提供几毫瓦的输出功率,但随后出现了快速发展,导致了高功率光纤激光器,特别是输出功率为数十或数百瓦的放大器,有时甚至来自单根光纤的几千瓦。 这种潜力源于非常高的表面体积比(避免过度加热)和引导(波导)效应,即使在显著加热的条件下也能避免热光学问题。

对于“高功率”属性,没有普遍同意的最低功率水平。 这可能意味着平均功率超过 100 W,但即使只有 10 W 的激光也被标记为高功率水平。

光纤激光器技术现在与其他基于固态体激光器的高功率激光技术(如薄盘激光器)竞争激烈。

双包层光纤和光束质量

高功率光纤激光器和光纤放大器几乎总是使用稀土掺杂双包层光纤实现,稀土双包层光纤由光纤耦合高功率二极管条或其他类型的激光二极管泵浦。 泵浦光被发射到内部包层中,而不是发射到产生激光的(小得多的)光纤芯中。 激光可以具有非常好的光束质量 - 如果光纤具有单模芯,甚至可以具有衍射限制的光束质量。 因此,光纤激光器输出的亮度可以比泵浦光的亮度高几个数量级,即使输出功率当然要小一些。 因此,双包层光纤激光器可以有效地用作亮度转换器。 典型的光对光功率效率在50%以上,有时甚至超过80%;对于使用高效高功率二极管激光器泵浦的基于Yb的光纤激光器,二极管泵浦光纤激光器的整体电光功率转换效率可以达到50%左右。

高功率光纤激光器和放大器 High-power fiber lasers and amplifiers

图1:带有空气包层的现代双层纤维的结构。

对于最高功率,核心区域需要相当大(→大模面积光纤),因为否则光强度会变得太高,并且通常还因为包层与核心面积比率较大的双包层光纤泵浦吸收较弱。 适用于高达几千μm的核心区域2,拥有单模内核是可行的。 使用稍微多模的磁芯可以实现更大的模式区域,但输出光束质量仍然相当好,其中大部分光在基波模式下传播。 (高阶光纤模式的激励可以在一定程度上受到抑制,例如通过卷绕光纤,除非在高功率水平下获得强模式耦合[15]。 对于更大的模式区域,光束质量不再接近衍射限制,但与在类似功率水平下工作的棒状激光器相比,它仍然可以相当好。

所需的光纤长度通常为几十米,这是由于需要以足够高的效率吸收注入的泵浦光。 虽然纤维长度原则上可以减少,例如通过使用具有较高掺杂浓度的纤维芯、大纤维芯或较小的泵包层(对于较小的包层/芯比),但存在各种限制,例如由于掺杂浓度的限制、泵源的光束质量、 光束质量对信号或热的考虑。

启动泵灯

有几种选择可以在非常高的功率水平下发射泵浦灯。 最简单的方法是从一端或两端直接发射到泵包层中(见图 2)。 这种技术不需要特殊的纤维成分;然而,它需要高功率泵浦辐射通过空气(使用自由空间光学器件)传播,特别是通过空气 - 玻璃界面,然后对灰尘和错位非常敏感。 因此,在许多情况下,最好使用几种技术中的一种,其中一种技术使用光纤耦合泵浦二极管,并从那里开始将泵浦光保持在光纤中(见图3)。 一种选择是将泵浦光发射到缠绕在有源光纤周围的无源(未掺杂)光纤中,以便光逐渐转移到有源光纤(GTWave 光纤)中。 其他技术基于特殊的泵浦合路器装置(光纤泵合路器),其中几根泵浦光纤和一根有源信号光纤融合在一起。 然而,其他方法基于侧泵浦光纤线圈(光纤盘激光器)[3],或泵浦包层中的凹槽,泵浦光可以通过这些凹槽注入。 后一种技术允许多点泵喷射,从而更好地分配热负荷。

高功率光纤激光器和放大器 High-power fiber lasers and amplifiers

图2:一种高功率双包层光纤放大器设置,其中泵浦光通过自由空间发射到光纤端。空气-玻璃界面在对准和清洁度方面至关重要。

高功率光纤激光器的全光纤设置

图3:设置高功率光纤激光器。来自八个光纤耦合泵浦二极管的光与两个泵浦光纤耦合器结合,并从两个方向发送到有源光纤。光纤布拉格光栅用于形成激光谐振器。

比较所有不同的泵发射技术很复杂,因为它涉及许多方面:不仅是传输效率,还有亮度损失、易于制造、处理灵活性、可能的背反射、光从光纤芯泄漏回泵源、保持偏振的选项等。

激光器和放大器

从概念上讲,产生高功率激光的最简单选择是直接构建光纤激光器,两端都有某种镜子。 然而,高功率光纤器件通常以激光放大器组合的形式构建,即采用MOFA(主振荡器光纤放大器)架构。 这个概念有几个优点。 在线宽、激光噪声、波长可调性、脉冲产生等方面更容易控制低功率种子激光器的发射特性。 此外,放大器的光纤必须仅承受与输出功率相等的功率,而在激光器中,腔内功率更高(即使光纤激光器作为高增益器件允许强输出耦合)。 此外,使用模块化设计方法可能是有利的,其中放大器级可以根据需要组合。 在许多情况下,特别是当使用低功率种子激光器时,甚至可以使用多个放大器级,通常沿链增加模式面积和泵浦功率。

纳秒脉冲

许多用于材料加工的高功率激光器是Q开关体激光器,可产生强烈的纳秒脉冲。 该技术在光纤激光器上的直接应用在可实现的峰值功率方面非常有限,这主要是由于强大的光纤非线性。 然而,光纤器件的高增益允许实现非常灵活的MOPA器件,其中增益开关半导体激光管(→皮秒二极管激光器)作为种子激光器。 与激光器的Q开关不同,这种方法允许例如独立于脉冲重复率修改脉冲持续时间。 尽管如此,可能的脉冲能量远低于体激光器。 然而,对于许多应用,可能的性能就足够了。

超短脉冲

光纤放大器的大增益带宽允许超短脉冲的放大。 这可以在锁模光纤激光器和超短脉冲光纤放大器中利用。

特别是在这种脉冲持续时间范围内,强光纤非线性带来了巨大的挑战,因为高能飞秒脉冲具有巨大的峰值功率。 除了光纤损坏的风险外,光纤非线性还可能导致强烈的非线性失真,高水平的色散(包括高阶色散)也可能是问题。 特别是如果脉冲质量很重要,则需要仔细考虑这些问题。

一种可能的方法是制造基于光纤的啁啾脉冲放大系统,其中放大器内的脉冲持续时间大大增加,从而相应地降低非线性的影响。 这种方法的一种不太强大的替代方案是抛物线脉冲的放大,其中经历放大器光纤增益和非线性的上啁啾脉冲以自相似的方式演变,并且它们接近线性线性啁啾可以通过色散压缩获得高脉冲质量。

一个有趣的方向是全光纤超短脉冲源的开发,可能允许最终的自由空间脉冲压缩器(例如传输光栅),但无需将脉冲从自由空间发射到光纤中。

限制因素

影响高功率光纤放大器和激光器性能的各种可能限制因素,下文将简要讨论这些因素。 这些因素中的哪一个限制了特定设备的性能,在很大程度上取决于操作制度。

可用泵功率

一些设备受到可以发射到光纤中的泵浦功率的限制。 请注意,即使使用双层光纤,泵浦源的光束质量也需要足够高。 实际上,这意味着只能使用具有足够高辐射度(亮度)的泵浦源。

幸运的是,二极管条和广域激光二极管的不断发展导致器件的辐射度越来越高,因此相应的性能极限越来越长。

发热

高功率激光器的一个常见问题是增益介质中的热量产生。 然而,光纤放大器和激光器仅在非常高的功率下才会受到此影响,这主要是因为(a)通常相当高的功率转换效率(导致相对较低的热负荷),(b)热负荷在相对较长的长度上分布(例如几米)和(c)光纤芯的波导功能。

光纤中的热负荷可能成为一个问题,特别是在必须最小化光纤长度的情况下,例如为了减轻非线性效应。 这意味着使用掺杂浓度相对较高的纤维,允许在更短的长度内传递所需的功率。 然后,光纤芯中的温升可能非常大。 此外,由此产生的热透镜可能会显著改变模式特性,例如减少有效模式面积和增加引导模式的数量。

每单位长度的耗散功率通常达到100 W / m的值,这导致风冷光纤显着发热。水冷可用于显着进一步增加功率,尽管它不能消除热透镜问题。

如果光纤不是严格的单模(在高功率器件中经常出现这种情况,特别是最后一个放大器级),加热也会引发另一个问题,称为热诱导横向模式不稳定性(TMI)。 这种现象通常发生在相对明确的泵功率水平之上;一个典型的特征是,然后突然获得显着降低的输出光束质量,这与将功率大量转移到高阶引导模式有关。 光功率的分布表现出振荡或混沌行为。 对于具有特别大模式面积的光纤,这种模式不稳定的趋势会增加。

热致模式不稳定的物理机制相对复杂。 它涉及在光纤中产生长周期光栅[14],该光栅将光从基波模式耦合到高阶模式。 同时,光栅是由模态干涉产生的,这导致了空间变化的强度模式和(通过Kramers-Kronig)折射率模式。 一个重要的方面是所涉及的模式之间的光学频率略有差异,这会导致容易检测到的节拍音符和上述折射率光栅的移动[15]

非线性限制

各种高功率光纤器件的性能基本上受到不同类型的光纤非线性的影响:

  • 特别是单频设备受到受激布里渊散射(SBS)的影响。 问题在于,例如,放大器中的强信号光会导致高布里渊增益,以略低的光频率反向传播光。 一旦非线性增益达到约90 dB,量子噪声就会放大到相当大的功率水平。 然后,产生的反向传播波从信号中提取功率,从而降低非线性增益;这种相互作用通常会导致混乱的权力波动。 有各种缓解技术。 例如,通常对输入信号施加第一相调制,可以在放大器之后移除,并通过增加信号线宽超过布里渊增益带宽来降低布里渊增益。 还可以优化光纤设计,特别是关于有效模面积和所用长度,并利用沿光纤的温度梯度。
  • 同样,非线性增益来自受激拉曼散射(SRS),但各种参数与布里渊散射的参数有很大不同:增益系数要低得多,而非线性增益带宽要高得多,并且非线性增益也发生在共同传播光时。 SRS通常是超短脉冲放大的主要限制因素,其中SBS无关紧要,因为信号带宽更宽,而用于反向传播短脉冲的空间重叠区域相当有限。
  • 光纤中可能的峰值功率的相当严格的限制是通过非线性自聚焦来设定的。 超过一定的临界功率,这种效应会导致光束轮廓的灾难性崩溃,随后通常会立即破坏纤维材料。 有趣的是,使用具有较大有效模式面积的光纤不会增加临界功率,即使未受干扰模式的光强度降低了。 对于具有相对较低的非线性指数的二氧化硅纤维,临界功率相对较高(几兆瓦),但在某些情况下,超短脉冲放大仍然是一个严重的限制。 即使在应用啁啾脉冲放大时,脉冲能量也被限制在10 mJ量级,因为可用的啁啾脉冲持续时间存在实际限制。
  • 光纤末端还可能存在激光引起的损坏问题。 通过使用无芯端盖可以大大缓解这个问题,其中光束可以扩展到更大的区域,直到到达更敏感的玻璃 - 空气界面。

请注意,高功率文件设备的优化通常涉及在不同类型的限制之间进行权衡;最佳结果通常是通过找到最佳折衷方案来获得的。

进一步改进的前景

尽管近年来大功率光纤器件的发展取得了巨大进展,但现在遇到了各种或多或少严重的限制,预计这些限制将减缓这一进展:

  • 在大多数情况下(特别是对于脉冲操作),光纤设备不受可用泵浦功率的限制,或者至少可以使用现有的半导体激光管进一步增加泵浦功率。
  • 高功率光纤器件中的光强度已大大提高。 现在它们通常接近材料的损坏阈值。 因此,使用增加的模面积(→大模面积光纤)。 然而,这种方法的极限似乎也或多或少已经达到,至少在需要高输出光束质量的情况下是这样。
  • 似乎仍有一些减轻热致模式不稳定性的潜力,但可能不可能完全消除这种限制。
  • 光纤非线性通常是涉及短脉冲或超短脉冲器件的限制因素。 对于各种设备(特别是锁模光纤激光器),改进的缓解方法带来了实质性的性能改进;目前尚不清楚是否有可能沿着这条路线取得实质性的进一步进展。

由于所解释的限制,与普遍观点相反,高功率光纤设备通常不能在合理意义上被认为是功率可扩展的,至少不会超过已经达到的性能水平。 以前的进展在很大程度上也不是通过简单的功率缩放来实现的,而是通过其他方法的组合来实现的,例如使用改进的泵浦二极管和光纤设计,以及优化参数以理想地处理现有的权衡。 有关更多详细信息,请参阅有关激光器功率缩放的文章。

一旦达到每根光纤的功率极限,光束组合是另一种选择,尽管代价是大大降低了系统复杂性。

尽管上述优化技术通常允许基于光纤的高功率激光源具有惊人的性能,但这些成就通常基于涉及大量自由空间光学器件的设置,因此失去了全光纤系统的许多特定优势。 然而,有可能开发更多的全光纤系统,这些系统仍然为许多应用提供足够好的性能。

参考文献

[1] A. Galvanauskas, “Mode-scalable fiber-based chirped pulse amplification systems”, J. Sel. Top. Quantum Electron. 7 (4), 504 (2001), doi:10.1109/2944.974221
[2] J. Limpert et al., “High-power femtosecond Yb-doped fiber amplifier”, Opt. Express 10 (14), 628 (2002), doi:10.1364/OE.10.000628
[3] K.-I. Ueda, H. Sekiguchi, and H. Kan, “1 kW CW output from fiber-embedded disk lasers”, Proceedings of the Conference on Lasers and Electro-Optics 2002, Long Beach, USA, May 19–24, 2002, post-deadline paper CPDC4, doi:10.1109/CLEO.2002.1034492
[4] J. Limpert et al., “500 W continuous-wave fibre laser with excellent beam quality”, Electron. Lett. 39, 645 (2003), doi:10.1049/el:20030447
[5] W. J. Wadsworth et al., “High power air-clad photonic crystal fibre laser”, Opt. Express 11 (1), 48 (2003), doi:10.1364/OE.11.000048
[6] H. Sekiguchi et al., “1 kW output laser”, Rev. Laser Eng. 31 (8), 525 (2003), doi:10.2184/lsj.31.525
[7] Y. Jeong et al., “Ytterbium-doped large-core fiber laser with 1.36 kW continuous-wave output power”, Opt. Express 12 (25), 6088 (2004), doi:10.1364/OPEX.12.006088
[8] F. Röser et al., “131 W 220 fs fiber laser system”, Opt. Lett. 30 (20), 2754 (2005), doi:10.1364/OL.30.002754
[9] J. Limpert et al., “High-power rod-type photonic crystal fiber laser”, Opt. Express 13 (4), 1055 (2005), doi:10.1364/OPEX.13.001055
[10] D. Y. Shen et al., “Highly efficient Er,Yb-doped fiber laser with 188 W free-running and > 100 W tunable output”, Opt. Express 13 (13), 4916 (2005), doi:10.1364/OPEX.13.004916
[11] J. Limpert et al., “High-power ultrafast fiber laser systems”, J. Sel. Top. Quantum Electron. 12 (2), 233 (2006), doi:10.1109/JSTQE.2006.872729
[12] J. W. Dawson et al., “Analysis of the scalability of diffraction-limited fiber lasers and amplifiers to high average power”, Opt. Express 16 (17), 13240 (2008), doi:10.1364/OE.16.013240
[13] D. J. Richardson, J. Nilsson, and W. A. Clarkson, “High power fiber lasers: current status and future perspective”, J. Opt. Soc. Am. B 27 (11), B63 (2010), doi:10.1364/JOSAB.27.000B63
[14] C. Jauregui et al., “Impact of modal interference on the beam quality of high-power fiber amplifiers”, Opt. Express 19 (4), 3258 (2011), doi:10.1364/OE.19.003258
[15] A. V. Smith and J. J. Smith, “Mode instability in high power fiber amplifiers”, Opt. Express 19 (11), 10180 (2011), doi:10.1364/OE.19.010180
[16] A. V. Smith and J. J. Smith, “Steady-periodic method for modeling mode instability in fiber amplifiers”, Opt. Express 21 (3), 2606 (2013), doi:10.1364/OE.21.002606
[17] C. Jauregui et al., “High-power fibre lasers” (a review paper), Nature Photon. 7, 861 (2013), doi:10.1038/nphoton.2013.273
[18] G. Mourou et al., “The future is fibre accelerators”, Nature Photon. 7, 258 (2013), doi:10.1038/nphoton.2013.75
[19] J. Jauregui et al., “Simplified modelling the mode instability threshold of high power fiber amplifiers in the presence of photodarkening”, Opt. Express 23 (16), 20203 (2015), doi:10.1364/OE.23.020203
[20] M. Zervas, “Transverse mode instability, thermal lensing and power scaling in Yb3+-doped high-power fiber amplifiers”, Opt. Express 27 (13), 19019 (2019), doi:10.1364/OE.27.019019
[21] C. Jauregui, C. Stihler and J. Limpert, “Transverse mode instability”, Advances in Optics and Photonics 12 (2), 429 (2020), doi:10.1364/AOP.385184
[22] C. Gaida et al., “Transverse mode instability and thermal effects in thulium-doped fiber amplifiers under high thermal loads”, Opt. Express 29 (10), 14963 (2021), doi:10.1364/OE.421954
[23] C. R. Menyuk et al., “Accurate and efficient modeling of the transverse mode instability in high energy laser amplifiers”, Opt. Express 29 (12), 17746 (2021), doi:10.1364/OE.426040
[24] T. W. Hawkins et al., “Kilowatt power scaling of an intrinsically low Brillouin and thermo-optic Yb-doped silica fiber”, J. Opt. Soc. Am. B 38 (12), F38 (2021), doi:10.1364/JOSAB.434413
[25] R. Paschotta, “Fiber amplifiers – a technology for many applications”. Part 1: introduction, Part 2: various technical issues, Part 3: examples for fiber amplifier designs
[26] R. Paschotta, tutorial on "Fiber Amplifiers", part 6 on double-clad high-power devices
[27] R. Paschotta, tutorial on "Modeling of Fiber Amplifiers and Lasers"

光学器件

作          者: 泮桥成像光电商城

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