高功率的光纤激光器和放大器

2021-02-22 17:18:14 浏览:346

定义

输出功率(>10W)很高的光纤激光器和光纤放大器。

第一台光纤激光器的输出功率只有几个毫瓦,近来光纤激光器发展很快,得到高功率光纤放大器,尤其是放大器的输出功率可以达到几十上百瓦,甚至在某些单模光纤中得到上千瓦。这是由于光纤很大的表面积体积比(避免多余的热)和导波(波导)性质,避免了在很高温度下的热光效应问题。

光纤激光器技术与其它的高功率固态体激光器、薄盘激光器等相比具有很大的竞争力。

双包层光纤和光束质量

通常高功率光纤激光器和放大器都是采用稀土掺杂双包层光纤,又通过光纤耦合的高功率二极管棒或者其它激光二极管泵浦。泵浦管并不是进入光纤纤芯,而是进入内包层,也是在内包层产生激光。产生的激光光束质量很好,甚至可以得到衍射极限的光束质量,需要采用单模的光纤。因此,光纤激光器输出光的亮度比泵浦光的亮度高几个数量级,尽管输出功率比泵浦光小。(通常泵浦效率大于50%,有时甚至大于80%)因此这种光纤激光器可以用来作为亮度转换器,也就是提高光亮度的装置。

图 1 具有气体包层的双包层光纤结构图。

对于特别高的功率,纤芯面积需要足够大,因为这时光强会很高,还有一个原因就是双包层光纤中包层与纤芯面积比值很大从而导致泵浦吸收很小。当纤芯面积达到几千平方微米的量级,采用单模纤芯是可行的。采用多模光纤,模式面积比较大时也可以得到质量相当好的输出光束,这时光波主要是基模。(通过将光纤绕成圈也可以在一定程度上一直高阶模式的激发,高功率时的强模式耦合情况除外[14])模式面积变得更大后,光束质量不再能保持衍射极限,但相比于例如工作于相似功率强度下的棒激光器,得到的光束质量仍是相当好了。

注入泵浦光

关于怎样注入非常高功率的泵浦光有几种方式可以选择。最简单的方式就是直接在光纤端口泵浦包层。这种方法无需特别的光纤部件,但是高功率泵浦光需要在空气尤其是空气玻璃界面传播,对灰尘或者不对准非常敏感。许多情况下,会优先选择使用光纤耦合的泵浦二极管,这样泵浦光一直在光纤中传输。还有一种选择是将泵浦光输入到无源光纤中(未掺杂),将无源光纤缠绕在掺杂光纤周围,这样泵浦光被逐渐转移至掺杂光纤中。有一些方法是采用专门的泵浦结合装置,将一些泵浦光纤和掺杂信号光纤融合在一起。还有其它的方法基于边泵浦的光纤线圈(光纤盘激光器)[3],或者在泵浦包层刻槽这样泵浦光可以注入进去。后种技术允许泵浦光多点注入,因此可以更好的分配热负荷。

图 2 高功率双包层光纤放大器装置图,泵浦光通过自由空间进入光纤端口。气体玻璃界面必须严格对准和洁净。

所有的注入泵浦光的方法之间的比较狠复杂,因为涉及到很多方面:转移效率,亮度损耗,易加工,灵活操作,可能的背向反射,从纤芯泄漏至泵浦光源的光,保持偏振的选择等。

激光器和放大器

理论上产生高功率激光最简单的方法是采用几个镜子直接构建一个腔激光器。然而,通常高功率光纤装置会与激光放大器结合起来,也就是采用MOFA结构(主振荡光纤激光器)。这种结构具有一些优点。低功率的种子激光在线宽、激光噪声、波长调谐、脉冲产生等方面的性质比较容易控制,激光器腔内功率则更高一些(尽管作为高增益装置,光纤激光器允许很强的输出耦合)。另外,采用调制器方案更好,这样可以把各级的放大器连起来。在有些情况,尤其是采用种子激光器的情况,通常采用多级放大器,这时在放大器链上模式面积和泵浦功率都逐渐增大。

纳秒脉冲

通常用于材料加工的高功率激光器为调Q激光器,产生很强的纳秒脉冲。在这个领域,光纤装置主要在峰值功率上受限制:需要远离各种非线性效应,自聚集效应将峰值功率限制在几个兆瓦,即使通过增大模式面积也不能再增大。实际得到的峰值功率都小于1兆瓦,即使对于大模式功率的光纤也不例外。也就是说,如果脉冲长度为1ns,脉冲能量则小于几个毫焦耳。

光纤装置的高增益也使灵活的MOPA装置易于实现,它采用增益开关激光二极管作为种子激光。这种方案不同于调Q激光器,它可以调整脉冲长度而不会改变脉冲重复率。

超短脉冲

光纤放大器大的增益带宽可以用来放大超短脉冲。然而,这时强的光纤非线性效应影响很大,因为能量很高的飞秒脉冲具有非常大的峰值功率。除了存在对光纤损伤的危险之外,强非线性效应引起强的脉冲畸变,另外很高的色散(包含高阶色散)也是一个问题。尤其需要考虑脉冲质量时,这些因素都需要认真考虑。

一种可能的方案是采用啁啾脉冲放大系统,放大器中脉冲长度被显著提高,因此非线性效应相应的被减小。另一个可供选择的方案是放大抛物线脉冲,上啁啾脉冲得到增益,放大器中光纤的非线性趋于自相似的方式,因此可能得到色散压缩的高质量脉冲。

尽管上面提到的方案可以提高高功率超短脉冲的质量(至少对于几个兆赫兹的脉冲重复率和中等脉冲能量情况),这些结果通常是基于一些自由空间光学的装置,因此会失去一些光纤系统的优势。一个很有意思的方向是发展全光纤的超短脉冲源,可以实现自由空间脉冲压缩(例如透射光栅),但是这样不需要将脉冲从自由空间注入到光纤中。

未来发展前景

尽管近来高功率光纤装置的发展已经非常迅速,仍然存在一些局限性阻碍了进一步的发展:

  • 高功率光纤装置的光强提高了很多。现在通常可以达到材料损伤阈值。因此,需要提高模式面积(大模式面积光纤),但是采用这种方法在需要得到高光束质量的情况时也存在局限性。
  • 单位长度的功率损耗已经达到100W/m量级,导致光纤中很强的热效应。采用水冷却的方法可以很大程度的提高功率。掺杂浓度低的更长的光纤冷却更容易,但是这会提高非线性效应。
  • 对于不是严格的单模光纤,当输出功率大于某个阈值时,存在模式不稳定性,通常为几百瓦特。模式不稳定性导致光束质量的突然降低,这是光纤中的热光栅(空间温度振荡很快)的作用。
  • 光纤非线性影响很多方面。即使在连续波装置中,拉曼增益非常高(即使分贝),以至于很大一部分功率被转移到波长较长的斯托克斯波上,这一波并不能被放大。单频工作则极大的受限于受激布里渊散射,当然也有一些测量方式在一定程度上可以抵消这一效应。在锁模激光器中的产生的超短脉冲,自相位调制会对其产生很强的光谱展宽效应。另外,还存在其它注入非线性偏振旋转的问题。

由于存在以上的诸多限制,高功率的光纤装置通常不能被严格的看做可扩展功率的装置,至少在能达到的功率范围之外不能。(之前的改进方法并没有采用单功率定标来实现,而是采用改进的光纤设计和泵浦二极管。)这在光纤激光器技术与薄盘激光器对比时有很重要的后果。在词条激光功率定标中有更详细的描述。

即使不能真正的进行功率扩展,在改进高功率激光装置方面还有很多工作可以做。一方面是需要提高光纤设计,例如采用大的光纤模式面积和单模导引,通常采用光子晶体光纤来实现。很多光纤器件非常重要,例如特殊的泵浦耦合器,光纤锥来连接具有不同模式大小的光纤和特殊的光纤冷却装置。一旦达到某个光纤的功率极限,合成光束是另一个选择,存在合适的光纤装置来实现这种技术。对于超短脉冲放大器系统,存在许多方法减小或者甚至部分利用光纤的非线性效应,例如展宽光谱和其后的脉冲压缩。

参考文献

[1] A. Galvanauskas, “Mode-scalable fiber-based chirped pulse amplification systems”, IEEE J. Sel. Top. Quantum Electron. 7 (4), 504 (2001)
[2] J. Limpert et al., “High-power femtosecond Yb-doped fiber amplifier”, Opt. Express 10 (14), 628 (2002)
[3] K.-I. Ueda, H. Sekiguchi, and H. Kan, “1 kW CW output from fiber-embedded disk lasers”, in Proceedings of the Conference on Lasers and Electro-Optics 2002, Long Beach, USA, May 19–24, 2002, post-deadline paper CPDC4
[4] J. Limpert et al., “500 W continuous-wave fibre laser with excellent beam quality”, Electron. Lett. 39, 645 (2003)
[5] W. J. Wadsworth et al., “High power air-clad photonic crystal fibre laser”, Opt. Express 11 (1), 48 (2003)
[6] H. Sekiguchi et al., “1 kW output fibre lasers”, Rev. Laser Eng. 31, 525 (2003)
[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)
[8] F. Röser et al., “131 W 220 fs fiber laser system”, Opt. Lett. 30 (20), 2754 (2005)
[9] J. Limpert et al., “High-power rod-type photonic crystal fiber laser”, Opt. Express 13 (4), 1055 (2005)
[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)
[11] J. Limpert et al., “High-power ultrafast fiber laser systems”, IEEE J. Sel. Top. Quantum Electron. 12 (2), 233 (2006)
[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)
[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)
[14] A. V. Smith and J. J. Smith, “Mode instability in high power fiber amplifiers”, Opt. Express 19 (11), 10180 (2011)
[15] A. V. Smith and J. J. Smith, “Steady-periodic method for modeling mode instability in fiber amplifiers”, Opt. Express 21 (3), 2606 (2013)
[16] S. Naderi et al., “Investigations of modal instabilities in fiber amplifiers through detailed numerical simulations”, Opt. Express 21 (13), 16111 (2013)
[17] C. Jauregui et al., “High-power fibre lasers” (a review paper), Nature Photon. 7, 861 (2013)
[18] G. Mourou et a l., “The future is fibre accelerators”, Nature Photon. 7, 258 (2013)
[19] R. Paschotta, “Fiber amplifiers – a technology for many applications”. Part 1: introduction, Part 2: various technical issues, Part 3: examples for fiber amplifier designs
[20] R. Paschotta, tutorial on "Fiber Amplifiers", part 6 on double-clad high-power devices

参阅:光纤激光器、光纤、稀土掺杂光纤、高功率激光器、光束质量、主振荡光纤放大器、光子晶体光纤、啁啾放大器、激光器功率定标、亮度转换器、光束合成

作          者: 泮桥成像光电商城

出          处: https://www.ipanqiao.com/entry/194

版          权:本文版权归泮桥成像光电商城所有

免责声明:本文中使用的部分文字内容与图片来自于网络,如有侵权,请联系作者进行删除。

转          载:欢迎转载,但必须保留上述声明;必须在文章中给出原文链接;否则必究法律责任。

Copyright © 2019-2022 南京超维景生物科技有限公司 版权所有 www.ipanqiao.com苏ICP备20009590号-1
联系我们
立即做合同
微信客服
电话咨询

400-998-9826

17302548620

快速留言

泮桥成像光电商城专业人员会在24小时之内联系您

关闭 提交