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分析:最近出现的几种大模场光纤激光器技术

2009-05-07 17:12
Minor昔年
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        新的方法从大模场光纤中获得了衍射受限光束,具有前所未有的持久性和功率.这些技术包括锥形光纤、泄漏通道光纤、手性耦合光纤等.

        在2000年左右几乎每年都会有新闻发布会,宣布研发出衍射受限光束的光纤激光器,功率水平越来越高。但是最近四五年来,该领域鸦雀无声,一直停留在2004或2005年的水平,一般是1KW,个别比较好的,有2KW,从来没超过这个水平。

        目前的障碍也是光纤激光器的优点,就是较高的“表面面积/体积”比。由于难以提取余热,最终限制了所有光泵浦固态激光器的功率。目前这个问题已经解决,但是这种特别的几何形状 ,解决了这个问题,又产生了另外一个问题。

大模场光纤激光器

        几米长,大概10微米直径的单模光纤激光器要求较高的功率密度以便于长距离传播,这对非线性效应是一种很好的解决方法,如受激布里渊散射,受激拉曼散射,自相位调制等。这些效应减少了内腔激光功率并最终限制了激光的输出功率。

        长期以来,人们公认的解决方法是,加大光纤的体积,从理论上减少了功率密度。缺点是大模场光纤激光器允许高阶横摸传输,这样会降低光束质量。所以关键的问题是想方设法在大模场(LMA)光纤中只允许基本模式的振荡。

        在过去几十年中研究了多种技术,几年以前一些技术带来了千瓦的成果。一些研究人员对在大模场中采用基本模式振荡表示了谨慎的乐观。其他人通过在内腔中增加特别的空间滤波以限制它向单模振荡演变。在某些时候这种方法取得了成功,但是这种系统缺少稳定性,然而稳定恰好是光纤激光器的一个重要优点。

        其他早期的方法如卷曲光纤,因为在弯曲状态下,高阶模式的弯曲损耗比基本模式时要大得多。光子晶体光纤的出现让光纤可以无限制地停留在单模,不管这个光纤有多大。但是以上这些方法都无法提供现实应用中需要的稳定性。同样,增益引导(gain-guided)光纤激光器和棒形光纤激光器也有过一点成就,但无法保持像常规光纤激光器一样的稳定性。

        今天,出现了几种新技术能够同时实现高功率和稳定性,把在大模场光纤中的振荡限制在单一横向模式。

 

        锥形光纤

锥形光纤

带有大光圈的锥形光纤允许低亮度光源泵浦

        芬兰坦佩雷理工大学的Oleg Okhotnikov和他的同事,俄罗斯科学院,这两个团队在研究双包层锥形光纤高功率激光器走在世界前列。

 

        泄漏通道光纤(Leakage-channel fibres)

Leakage-channel fibres

精心设计的泄漏通道光纤能够在基本模式下保持较低的损耗,但在高阶模式下有较大的损耗。

        泄漏通道光纤由IMRA America公司的Liang Dong和他的同事发明,是一种特种微结构光纤。在光纤中打出了一些小孔,作用是减少内部反射。因此所有在光纤运行的模式是“泄漏”的,所有发射到光纤中能量最终都会消失掉。通过精心设计,可以让这种光纤在基本模式运行时只有较低的损耗,但高阶模式运行时是损耗较大。

 

        手性耦合光纤(Chirally coupled fibres)

Chirally coupled fibres

在一个手性耦合光纤中,大模场振荡被从“中间芯”耦合到环绕四周的“螺旋芯”

        这项成果来自于密歇根大学的Almantas Galvanauskas 和他的同事。在这种光纤中,一个或多个“螺旋芯”围绕着较大的“中间芯”,通过适当地设计“螺旋芯”, Michigan等研究员通过高阶模式相位匹配,把高阶模式引导到了“螺旋芯”,在“螺旋芯”中有较大的损耗,“中间芯”只保持了基本模式并有较少的损耗。

 

        高阶模式

        OFS实验室的Siddharth Ramachandran使用了一些非常规方法,不是迫使光束在基本模式中振荡,他故意采用长周期光栅把能量引进到单一高阶模式。这些高阶模式在大模场光纤中得以保持,然后通过在光纤另一端的另一个光栅耦合回基本模式。从本质上说,他预想把基模控制在光纤的边缘传播,而高阶模式在大模场光纤的中间传播。

高阶模式

一个典型的高阶模式,由n个同心圆构成,n代表了模式的阶数

作者:Breck Hitz  编译:光电新闻网 曾聪 注:翻译时只节选了文章的部分内容

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