高功率光纤激光器获突破中国“追赶者”角色未变

2013-05-07 10:18

　　日前光纤激光器研究与开发主要集中在大功率双包层光纤激光器技术上。用双包层光纤实现大功率激光输出技术最初于1988年提出。高功率双包层光纤激光器呈现出以下发展趋势：(1)单根光纤输出功率从百瓦级向千瓦级发展，目前单根光纤激光仅在实验室实现了千瓦级功率输出，并且不是单横模；( 2)从高功率连续光纤激光向高功率脉冲光纤激光器发展，从应用目标出发时，连续工作的光纤激光能提供的靶面功率密度较低，脉冲工作的光纤激光将会更为有用；(3)从常规的光纤激光组束技术向相干组束技术发展。

　　高功率光纤激光器关键技术

　 1 双包层光纤

　　双包层光纤( DCF) 是高功率光纤激光器的关键部件，其结构如图l 所示。双包层光纤的基本结构包括直径为l O～100μm的掺杂纤芯，以及直径125～l000μm、数值孔径约为0．45的内包层。设计双包层光纤取决于要求的功率和光束质量。多模泵浦光被耦合进内包层，在其内传输2～8 m，并不断被掺杂纤芯吸收。双包层光纤可以通过两端同时泵浦来提高可用泵浦功率。激光谐振腔由外部光学系统或用紫外激光在光纤芯层写入光纤布拉格光栅(FBG)构成。纤芯可以掺杂多种不同稀士元素，对应不同的激射波长。镱元素是可选掺杂物，因为它有宽吸收带和最高光能量转换效率为80％。

　　1．1光纤功率限制因素

　　由于很多因素限制，目前单模光纤激光器光功率限制在1 kW左右，这些限制光纤功率的因素主要有：

　　(1)光学非线性效应，包括受激布里渊散射，受激拉曼散射和自相位调制；

　　(2)放大自发辐射，它和激射波长竞争存贮能最，限制最大粒子数反转和最终出射能量：

　　( 3) 光纤的热破裂极限大约为100 Wcm-1。在不超过热破裂极限时，如果一在段10 m长光纤上能量消耗为15 Wm-1，一个1 kW光纤激光器会消耗<15％的泵浦吸收能量，或者说每千瓦消耗150 w的热量；

　　( 4) 在l 060 m处如果最大功率大于l Mw，10 μm芯径的掺镱光纤中脉冲激发的块损坏阈值大于60 GWcm-2，连续和表面损坏阈值相当低约为1 Wcm-2。脉冲长度小于100 ns 时，自聚焦阈值约为4Mw，必须考虑。

　　增加模场直径、加大基模增益、插入空间滤波器、增加高阶模损耗、减少光纤长度、采用光子晶体或多孔光纤等都可以增加光纤最大输出功率，使单根光纤功率达到2 kW。但获得高功率激光的最有效方法还是利用多束光纤组合输出。IPG公司将多束250～400 W瞥模光纤合束，获得输出为10 kW的高功率光纤激光系统。简单的光纤合束固然可以获得高功率输出，但是输出光束是多模的，在一些应用场合效果并不是很好。