侵权投诉
订阅
纠错
加入自媒体

高功率光纤激光器与放大器

2007-02-09 15:17
退思
关注

                                                                    楼祺洪 周 军 朱健强 王之江  
                                                                中国科学院上海光学精密机械研究所

摘要:光纤激光器近年来成为半导体泵浦固体激光器发展的热点,其中大部分的工作集中在提高光纤激光器的输出功率上。在过去两三年中,连续输出光纤激光器的输出功率从百瓦级上升到千瓦级,脉冲工作光纤放大器的平均功率达到百瓦级。本文首先介绍了适合于高功率激光输出的大模场面积掺镱双包层光纤,然后对连续和脉冲工作的高功率光纤激光器分别进行了介绍,最后对新近发展的超短脉冲光纤激光器和短尺寸玻璃光纤激光器进行了评述。

关键词:激光技术,光纤激光器,大模场面积光纤,双包层光纤

1、引言

      随着大功率半导体激光技术的发展,半导体激光泵浦的固体激光器(DPSSL)在很大程度上克服了灯泵浦固体激光器的效率低、规模难以扩大、亮度随规模扩大而增大有限、介质热变形导致的光束质量下降等问题。随着半导体激光器阵列价格的下降和固体激光器性能的提高,高功率DPSSL必将获得更为广泛的应用。虽然DPSSL相对于CO2和灯泵Nd:YAG具有很大的优越性和竞争力,但由于在激光产生时总有一部分能量以无辐射跃迁的方式转换为热,对于常规的棒状DPSSL,高功率时存在严重的热透镜和热致双折射效应,从而使得光束质量下降。这部分热能量如何从棒状激光介质中散发、排除成为获得高光束质量、高功率输出的关键[1]。将块状激光介质做成很薄片或拉成细长光纤形状,将会有效增大了散热表面积,使表面积/体积比大大提高,有利于固体激光器散热问题的解决,这就是高功率固体激光器发展的两个重要方向:薄片激光器和光纤激光器。

      通常所说光纤激光器,就是采用光纤作为激光介质的激光器,通过在光纤基质材料中掺杂不通的稀土离子(Yb、Er、Nd、Tm等),获得所对应波段的激光输出。对于常规的单模光纤激光器,要求注入到纤芯的泵浦光也必须为单模,这限制了泵浦光的入纤效率,导致光纤激光器的输出功率和效率较低。双包层光纤的提出,为提高光纤激光器的输出功率和转换效率提供了有效的技术途径,改变了光纤激光器只是一种小功率光子器件的历史。考虑到量子转换效率、抗激光损伤阈值和基底损耗等原因,掺镱石英双包层光纤是实现高功率光纤激光器或放大器的最佳选择。随着双包层光纤制作工艺和高功率半导体激光泵浦(包括其光束整形技术)技术的发展,单根双包层光纤激光器的输出功率逐步提高,连续输出功率已经达到千瓦级。本文主要对新近发展的基于大模场面积双包层光纤的高功率光纤激光器和放大器进行详细介绍,最后对超短脉冲光纤激光器和短尺寸玻璃光纤激光器进行了简要评述。

2、大模场面积双包层光纤

      双包层光纤中折射率的分布是典型的阶跃式分布,对于圆形的掺杂纤芯,双包层光纤激光器能否实现单模激光输出,取决纤芯的直径和数值孔径,实际的单模条件为归一化频率

      其中,d为纤芯直径,为纤芯的数值孔径,n1和n2分别为内包层和纤芯的折射率。因而要保证双包层光纤激光器实现单模的激光输出,纤芯的参数应满足上述的条件。实际上,对于双包层光纤激光器来说,由于所用光纤较长,加之散射、光纤弯曲等因素的影响,当归一化频率在2.4
就双包层光纤本身来说,光纤激光器输出功率提升的限制主要来自于掺杂纤芯,一是光纤端面的激光损伤,二是光纤中的非线性效应限制了功率的提升。纯石英的激光损伤阈值非常高,在脉冲激光下的损伤阈值约为~10GW/cm2[2],即100W/μm 2,以此计算,典型单模纤芯似乎可以实现高达千瓦量级激光功率输出。实际上,~10GW/cm2是脉冲激光的峰值功率密度,对于连续激光来说,石英的激光阈值会远小于此值。特别是对于掺杂石英光纤来说,由于掺杂引起的纯度和均匀性的降低,大大降低了光纤端面的激光损伤阈值。为了保证光纤激光器的稳定可靠的工作,在光纤激光器设计时一般使该值不超过1.5W/μm 2。据此,对于典型的6~10μm纤芯直径的双包层光纤来说,其可能实现的激光功率也就在百瓦量级。

      由于双包层光纤激光器纤芯中的激光功率密度非常高,且光纤较长,非线性效应出现的可能性就很大。光纤中主要的非线性效应包括:受激布里渊散射(SBS)、受激拉曼散射(SRS)和自相位调制(对脉冲激光来说)。对于窄带、连续波的激光在光纤中的传输,布里渊散射阈值Pth-B和拉曼散射阈值Pth-R分别可以按下式来粗略地估算[3]为

      其中gB和gR分别表示布里渊增益系数和拉曼增益系数,Score表示纤芯的横截面积,Leff表示有效作用长度。由于拉曼增益gR比布里渊增益gB低100倍以上(如在1μm波段,对于100μm 2的有效光斑,拉曼增益为4×10-3dB/m/W,布里渊增益为2dB/m/W[10]),所以光纤中的拉曼散射阈值Pth-R 远高于布里渊散射阈值Pth-B。正因如此,对于光纤激光器来说,限制输出功率的提升主要非线性效应是光纤中的受激布里渊散射。根据公式(2.14),通过增大纤芯面积和减小光纤长度,可增大受激布里渊散射的阈值[4]。有利于更高功率激光的输出。

      根据公式(1),为了实现低阶模的激光输出,并且尽可能克服端面激光损伤和非线性效应这两个因素给功率提高带来的限制,在设计和选用光纤时,应尽量减少内包层和纤芯的折射率差,即减小NA0,并相应增大纤芯直径,如图2-4 。从而使得基横模LP0的模场直径变大,这种通过降低NA实现大纤芯直径的技术称为大模场面积光纤(large-mode-area fiber,LMAF)技术[5]。但是,由于光纤材料选择本身的限制,NA0也不可能很小,目前,在技术上已经可以实现的最小NA0为0.05~0.06,对应的最大单模纤芯直径约为17μm。纤芯面积的增大一方面提高了激光损伤和非线性效应的阈值,同时还使得光纤的储能增加,有利于提高脉冲能量,另一方面,纤芯和内包层横截面积之比也大大增加,提高了光纤对泵浦吸收的效率,这样就可以采用较短的光纤实现高功率的激光输出。同样,光纤长度的变短也有利于克服非线性效应对输出功率提高的限制。

      正是由于大模场面积光纤的提出,再加上高功率泵浦耦合技术的发展,才使得近两年光纤激光器的输出功率得以快速提高。从技术上讲,虽然可以通过控制光纤材料和拉制工艺实现低NA0的目的,但从目前的报道结果来看,高功率光纤激光器所用光纤的NA0在0.7~0.9之间,则即使选择归一化频率V=4.0,相应的最大纤芯直径不超过20μm。因而,考虑到光纤端面的激光损伤和光纤中的非线性效应,单根双包层光纤要实现上千瓦级的功率输出,就要突破单模光纤的限制,而采用多模的双包层光纤,这就又带来光纤激光的多模场振荡的问题。大模场光纤激光的多模输出是不希望出现的,为了克服这一问题,为此人们在光纤结构设计及光纤排布方式上进行了深入的研究,提出了多模光纤实现低阶模输出的模式选择技术[6]。
   
                

      采用光子晶体光纤的概念,在光纤的内包层掺杂纤芯的周围按一定的规律排布空气小孔,以起到调制内包层折射率,使内包层的等效折射率降低的目的,采用这种技术的光子晶体双包层光纤实现了单模大模场直径,单模模场面积可达~1000um2[7]。

3、连续输出的高功率光纤激光器

      连续输出的高功率双包层光纤激光器的结构比较简单,采用的是基本的F-P腔型。为了实现泵浦光到双包层光纤内包层的高效注入,已经发展了多种泵浦耦合技术,如透镜直接聚焦耦合技术、V形槽耦合技术、内嵌反射镜耦合技术、熔锥侧面耦合技术等[8]。但在高功率光纤激光器中,最简单和有效泵浦耦合方式为透镜直接聚焦耦合,可以采用单端或双端将泵浦耦合入光纤内包层。

      对于内包层数值孔径为NA1,NA1=(n22-n32)1/2,横截面积为Sclad的双包层光纤,若泵浦光的亮度用B(W/cm2.ster)表示,内包层中可以传输的泵浦光功率PT可表示为,
PT=4B·ScladNA12  (4)

      可见对于一定的泵浦光亮度,增大内包层尺寸Sclad和数值孔径NA1(即增大内外包层折射率差)有利于更大的泵浦光功率的传输,特别是增大NA1,内包层的可传输功率将以平方增加。因此,为了实现高功率泵浦光的注入,一方面发展高亮度泵浦源技术,提高泵浦光亮度,另一方面双包层光纤的内包层尺寸应较大,一般应大于300um2,数值孔径一般应大于0.33。

              
                     Fig. 2  国际上光纤激光器的连续输出功率逐年提高

      自1988年Snitzer等人提出双包层光纤之后,基于这种包层泵浦技术的光纤激光器和放大器获得了快速发展。特别是近年来,随着高功率半导体激光器泵浦技术和双包层光纤制作工艺的发展,光纤激光器的输出功率已经从最初的几百毫瓦上升到了千瓦水平,Fig.2。1999年V.Dominic等用四个45瓦的半导体激光器从两端泵浦,获得了110瓦的单模连续激光输出[9]。在他们的实验中,采用是矩形内包层的掺Yb光纤,将50米的光纤盘绕成环状,用一小风扇风冷。实验中没有观测到非线性效应和来自光纤本身的热效应,并预计通过增加泵浦功率,激光输出还会进一步提高,这一结果在当时引起人们的极大关注。但由于受单模双包层光纤技术的局限,此后的2年多的时间内,没有更高功率的报道。(未完待续)

声明: 本文由入驻维科号的作者撰写,观点仅代表作者本人,不代表OFweek立场。如有侵权或其他问题,请联系举报。

发表评论

0条评论,0人参与

请输入评论内容...

请输入评论/评论长度6~500个字

您提交的评论过于频繁,请输入验证码继续

暂无评论

暂无评论

文章纠错
x
*文字标题:
*纠错内容:
联系邮箱:
*验 证 码:

粤公网安备 44030502002758号