解析高功率光纤激光器的设计关键

2012-11-14 00:26

　　高功率光纤激光器结合先进的激光技术创建的激光系统，具有优良的光束质量、高电效率和高输出功率。它们目前广泛用于部件打标、切割、钻孔、焊接、和医疗手术，目前还在开发其它应用，如武器系统。如果我们能进一步加大光纤激光器的功率，它们还可以被用来处理更多种类的材料，包括通常难以处理的玻璃和陶瓷。在军事应用方面，可以扩大操作范围，缩短工作时间。

　　进一步加大功率主要是受光纤非线性的限制，光纤非线性发生在强烈的光照中。光线和媒介强烈地交互，这样光线发生散射，材料的折射率被改变。当传播模式(光线在波导中传播时的基本空间模式)穿越光纤的核心，通过稍大的容量扩散，包括内部边缘的光纤涂层环绕模场面积。

　　根本上解决光纤非线性的方法是增加光纤模场面积，同时保持单模运行。通过这样产生类似高斯分布的高质量光波，使其聚焦到远处的目标。然而，增加光纤波导面积的物理尺寸，导致了多个模场被支持。解决方法是设计新型光纤，抑制高阶模式。当增加常规波导的尺寸，所有模场越来越被引导远离纤芯/包层边界，从而进入纤芯中心。试图去抑制耦合模式是非常困难的，这严重限制可伸缩性。然而，由于光子晶格包层的反谐振作用，所有固体光子带隙光纤中的模场是被引导的。提供了强烈的依赖模场指导，导致模场高不同模场损失。全固态光纤也意味着可以很容易地拼接到其他纤维。

　　我们进行了广泛的理论研究，优化设计理想的纤芯直径，采用限定元素的方法，获得可忽略的基本模场和最大的高阶模场损失。内径为~50μm，基本模场和高阶模场之间的差模损失高于4db，具有足够的制造公差。我们的优化设计在第三能带隙操作~1050纳米。我们初次证明了内径为~50μm的全固态光子带隙光纤可以由> 30dB的高阶模场抑制制造，进一步扩展模场面积具有较大的可能性。

　　我们制作了一些光纤，按特征把它们分为两类。包层内节点为高指数环状结构，这是形成光子能带隙的关键。光纤1，节点是由一个掺锗核心的甲级指数粗加工成品制造而成的，核心与包层之间具有相对最高折射率， Δ为1.72%。光纤2的节点是用掺锗核心的突变型粗加工成品，峰值Δ为1.52%。光纤1和光纤2的内径分别为55.1μm和49.1μm。光纤1的有效模场面积是~920μm2，其波长为1050纳米，纤芯直径为50厘米。光纤2的截面如图1，旁边是大致的纤芯损失测量数据。

图1 (a) 我们制造的光纤2的横截面照片和(b) 光纤2大致纤芯损失测量。

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