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纳秒量级脉冲光纤激光器研究进展分析

2012-12-29 00:36
月城清浅
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  3)还有一个可变的因素,需从光纤材料本身来考虑对SBS和SRS的影响,比如光纤中不同的掺杂离子改变了折射率分布进而影响模场面积,这部分国内的研究报道较少,国外的研究主要集中在光纤几何结构、材料成分、制作工艺、工作环境等方面来分析光纤激光器、放大器中几种非线性效应的产生机理和功率阈值特点,通过改进光纤掺杂技术(纳米粒子直接掺杂技术等)、控制光纤内应力和温度场调制等新方法设计新型光纤以达到抑制非线性效应对脉冲特性和输出功率的影响。

  4.2 热管理问题

  对非线性的抑制要求尽量短的光纤,虽然光纤激光器中光纤具有大的散热面积,但当峰值功率足够大,短光纤内的热负荷超过所能承受的功率密度,就必须考虑热效应问题对激光输出的影响。比如基质材料热扩散引起应力和折射率的变化,从而导致了诸如自聚焦热透镜效应,这可能会损伤甚至熔化石英光纤,纤芯内温度的升高还会导致输出波长的变化。

  对于双包层光纤,其外包层是采用低折射率的聚合物,它对光纤的热效应更为敏感。而外包层除了保护光纤的作用外,更重要的是导引抽运光,所以一旦光纤内温度过高导致外包层损伤甚至熔化,就直接影响到激光输出。国外曾采用聚硅酮和聚四氟乙烯作为外包层,但前者数值孔径(NA)限制在0.4,后者太过昂贵而逐渐被淘汰。现在主要是采用氟化丙烯酸盐。从热扩散上看,外包层表面的温度分布取决于内包层尺寸和厚度,薄的包层有利于热扩散,但不利于导引抽运光。

  另一个用于减缓光纤内热负荷的方法是采用带内抽运。由于量子亏损导致了剩余热量的残留,如果降低量子亏损,光纤内剩余的热量也就降低,途径就是让抽运光的波长尽量和输出波长靠近,这样亏损量就减少。IPG公司2009年实现的10kW 连续输出,就是利用1018nm波长的掺镱光纤激光器作为(LD经过光纤级联抽运获取)抽运源,获得了1070nm的激光输出,斜率效率超过80%,电光转换效率高达40%。所以对于光纤内的热管理问题,未来发展的关键在于如何采用合适的材料和设计方法来平衡薄的包层和良好的导引作用,使得热扩散性能好,且又不降低抽运光的耦合效率。另外,对于高功率脉冲光纤激光器,需要寻求新型抽运光源以求降低量子亏损。

  4.3 光学损伤问题

  对于高能量纳秒量级的脉冲光纤激光器,由于纤芯介质击穿导致的严重的光学损伤也是必须考虑的一大问题。纳秒量级脉冲下光纤的损伤阈值为1.5kW·ns1/2/μm2,与脉宽的平方根成反比。目前解决这一问题的方法局限在材料上,由于比石英具有更高损伤阈值的材料不多,加上光纤中其他掺杂离子降低了纯石英的阈值,所以究竟损伤阈值可达到多高,目前仍旧是光纤激光器的诸多难点之一。近几年最新的研究数据显示,先后出现了损伤阈值为50kW/μm2(即0.5TW/cm2)[70]和0.6MW/μm2(即6TW/cm2)。

  现在用来避免光学损伤最直接的方法就是采用大模场面积双包层光纤,还有用的比较多的处理方式是将光纤输出端面切成斜面并抛光,或者采用封端技术,以减小端面的功率密度。所以未来的发展除了研究新型高阈值材料外,通过MOPA结构缓解各放大级承受的功率密度,将继续是脉冲光纤激光器追求高功率、高能量输出的发展方向之一。

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