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高功率光纤激光器关键技术及最新进展

2015-05-28 09:11
华静一
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  光纤激光器具有众多令人瞩目的优点,如其波导结构与传输光纤相同,易于与传输光纤集成和耦合;基质材料具有很好的散热特性和热稳定性;与传统固体激光器相比,光纤激光器损耗小、阈值低、效率高,容易实现小巧、紧凑的结构设计,因此光纤激光器在光纤通信、传感、工业加工、国防和军事等领域被广泛应用。

  近年来,光纤激光器输出功率快速增长,高功率光纤激光器各项关键技术的研究都取得了较大突破,增益光纤有了多种新型结构设计的掺杂光纤(如双包层光纤、光子晶体光纤等);泵浦耦合技术实现了端面、侧面泵浦等多种耦合方式;激光模式控制技术解决了高功率光纤激光器光束质量和输出功率之间的矛盾;光纤激光器光束合成技术的研究也取得了较多成果。以下将综述光纤激光器关键技术的研究和发展情况。

  1 高功率光纤激光器的关键技术

  1.1 增益光纤制作技术

  1.1.1 稀土掺杂双包层石英光纤

  稀土掺杂双包层石英光纤技术最早由美国宝丽来公司和英国南安普敦大学于20 世纪80 年代末期提出。它有效解决了光纤激光器中泵浦光功率与增益光纤之间的耦合效率问题,显著提高光纤激光器输出功率。稀土掺杂双包层石英光纤的研制技术因此成为了高功率光纤激光器的关键技术之一。双包层光纤由纤芯、内包层、外包层和保护层构成,如图1所示。它比普通单模光纤增加了1个内包层作为多模泵浦光的传输波导,泵浦光在内包层中传输时不断穿越纤芯而被其中的稀土离子吸收,并产生单模激光由纤芯波导输出。

  为了使内包层中传输的泵浦光更多次地穿越掺有稀土离子的纤芯,增加泵浦长度,提高泵浦效率,研究人员提出了不同形状的内包层结构。圆形结构由于不需要额外加工,制造工艺简单,容易实现与带尾纤的泵浦光源耦合,是最先研制和使用的内包层结构。但完美的圆形对称造成内包层中存在大量的螺旋光,这部分泵浦光不经过纤芯,不被稀土离子吸收,大大降低了泵浦光的利用率。后来,又逐渐研制出不同形状的内包层,如偏芯圆形、矩形、正方形、D 形、梅花形、六边形、八角形等。理论表明,矩形和D 形内包层结构具有很高的泵浦光利用率。同时,为了高效地把泵浦光功率耦合进增益光纤中,内包层的直径和数值孔径还应该足够大。

  虽然双包层光纤激光器的输出功率有了较大提高,但由于其纤芯仍属于传统单模,纤芯直径较小、增益大,放大的自发辐射很容易建立,非线性作用较强,因此很难得到高脉冲能量的脉冲激光输出。理论表明,光纤激光器产生的脉冲能量是由光纤中的饱和能量Esat决定的:

  由公式(1)可知,双包层光纤的纤芯直径越大,纤芯中存储的能量越高,才能从光纤中获得更高能量的脉冲激光输出。

  但是,随着纤芯直径的增大,光纤的V 值增加,纤芯中传输的模式增多,光纤输出激光的光束质量将变差。为此,研究人员研制出大模场面积的双包层光纤(LMA),其具体的参数为:纤芯直径20~40,μm,数值孔径0.06 左右,内包层直径大于200,μm,数值孔径0.4 左右。通过增加纤芯面积,减小了放大的自发辐射,克服了非线性作用且增大了纤芯的存储能量;同时减小纤芯与内包层的相对折射率差来降低纤芯的数值孔径,以维持辐射激光的近似单模传输,从而在光纤中实现高脉冲能量和高光束质量的激光输出。目前,大模场面积的双包层光纤已广泛应用于高功率光纤激光器中。

  由于受到非线性效应和热效应等因素的限制,将多个高功率光纤激光器的输出进行组束,可以获得更高功率的激光输出。为了实现激光功率的相干合成,有报道采用非保偏光纤实现保偏工作,但采用保偏的大模场面积双包层光纤无疑是高功率光纤激光器实现线偏振输出的最理想方案。随着军事和工业领域对输出功率超过100,kW(连续)的需求不断增多,对于保偏的大模场面积双包层光纤的需求也呈现不断上升态势。保偏光纤技术主要利用应力区、掺杂纤芯、包层的热膨胀系数之间的差异来产生双折射特性,根据应力区的形状,保偏双包层光纤主要有领结型和熊猫型两种结构。Kliner 等人首先报道了采用领结型保偏光纤制作出保偏掺镱双包层光纤放大器,但由于领结型保偏双包层光纤生产工艺复杂,稳定性和一致性差,其双折射特性没有熊猫型保偏双包层光纤好,因此在高功率光纤激光器和放大器中采用的主要是熊猫型保偏光纤。

  1.1.2 稀土掺杂光子晶体光纤

  光子晶体的概念于1987 年提出,而光子晶体光纤(Photonic Crystal Fiber,PCF)的概念最早由Russell.ST.J 等人于1992 年提出。它是在石英光纤中沿轴向均匀排列空气孔,从光纤端面看,存在周期性的二维结构。与普通单模光纤不同,PCF是由其中周期性排列空气孔的单一石英材料构成,所以又被称为多孔光纤(Holey Fiber)或微结构光纤(Micro-Structured Fiber)。PCF具有特殊的单模传输特性、弯曲特性、色散特性和非线性特性等,具有普通光纤不具备的优点,通过改变空气孔的大小和排列而使PCF 特性改变的可调节性,预示着PCF将会有广泛的应用前景。

  根据不同的导光原理,PCF 光纤分为两种,即基于光的全反射原理(Total Internal Reflection,TIR)导光的TIR-PCF,基于光子禁带效应(Photonic Bang-Gap,PBG)导光的PBGPCF。PBG-PCF 利用包层的光子禁带效应,将导波限制在光纤的空气纤芯中传输。而TIR-PCF 具有一个高折射率的纤芯,空孔的折射率大体上为1,因此在引入空孔的光纤包层区域折射率实际上被降低,其有效折射率比纤芯折射率更低,那么通过与传统光纤相同的全内反射就可以将光约束起来。在空孔的排列呈周期性的情况下,这种光纤被称为全内反射型PCF。TIR-PCF 制作工艺相对简单,通过一定的掺杂技术可以做成有源的光子晶体光纤,所以目前稀土掺杂的PCF 都采用这种类型。和稀土掺杂双包层石英光纤相同,稀土掺杂PCF也可以设计双包层光纤结构(见图2),这对于高功率光纤激光器的研制具有重要意义。

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