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单晶光纤在超短脉冲激光器中放大功率

2017-06-07 10:31
论恒
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激光微加工应用中,短脉冲提供精确的高平均功率,能够实现更高的处理速度,而高能量则提高了加工吞吐量。短脉冲可以容易地实现,但是在能量或平均功率方面的提升更具挑战性。例如,光纤内的非线性效应限制了放大期间的峰值功率。

在短脉冲或超短脉冲(USP)激光器中实现更高功率的公认解决方案,是通过主振荡器功率放大器(MOPA)架构,使用各种技术和材料来影响放大。下一代 USP 激光器依赖于新颖的基于光纤的架构,以克服传统块体和光纤放大器的不足。

放大比较

由于在增益介质内部产生强烈畸变的热透镜效应,块体晶体放大器受到光束退化的影响。由于这个基本限制,高功率放大器的几何形状已经发展演进,以改善这些材料内部的热管理。

由于增益介质的厚度较薄(约 100μm),薄碟片单程的增益有限。因此,只能通过多程或再生技术实现有效放大。

多程放大器使用精细的光路使光多次穿过激光晶体,而再生放大器则使用昂贵的电光调制器作为复杂光束切换过程的一部分。尽管存在缺点,但是薄片放大器可以产生非常高的千瓦级输出功率,并且是最终放大级的理想选择。

虽然由于其高增益,可以在板条放大器中实现高达千瓦级的极高平均功率,但所使用的之字形光路会引入椭圆度并降低光束质量。

除了用于产生短脉冲的块体替代方案之外,基于光纤的放大器通常使用大模场面积光纤(LMA)或大模场面积光子晶体光纤(PCF LMA),而棒状 PCF 可实现更高的峰值功率。

市售光纤的最大芯径为 85μm,传播模式为 650μm,即使掺杂水平较高,长度也约为 1m。超大纤芯和极低数值孔径的光纤设计,输出衍射极限光束,但会导致系统体积较大,灵活性降低。

引导泵浦和引导激光模式之间的重叠,产生良好的光学效率。可以实现平均功率高达 200W、光束质量良好的输出 ;尽管在更高功率下,热光效应可以显著影响波导机制。这些扰动导致 LMA 光纤在高功率下还支持高阶模式,这使得光束质量劣化,并最终使输出光束在毫秒级上波动(横模不稳定性)。在工业激光系统中,棒状光纤的峰值功率通常限制在 1MW 左右,以避免非线性效应。

在飞秒光纤激光器中,啁啾脉冲放大(CPA)减缓了这一局限性,并能实现基于 400μm 纤芯柔性 PCF 光纤的高功率系统。然而,峰值功率限制迫使采用相应的压缩器实现大的展宽比,这又增加了成本和系统尺寸。

单晶光纤

单晶光纤(SCF)通常为单晶钇铝石榴石(YAG),长度大,直径小,导光性能好。

激光加热基座生长(LHPG)技术可以生产小直径光纤( 约1000μm),并且通过不断改进,目标是实现与用于高平均功率激光系统的经典光纤类似的纤芯 / 包层结构。然而,这种结构的制造是尚未实现的艰难挑战,特别是在需要维持线偏振的情况下。尽管与传统光纤相比,相互作用长度减小,但是在任何情况下,所得到的结构在高峰值功率脉冲方面仍然受到与石英光纤相同的限制,并且由于 YAG 材料更高的非线性性质,这些问题将进一步恶化。显然,这并不是超快高功率放大器的解决方案。

采用微下拉技术,已经生产了直径为 1~2mm 的较大 SCF,能够维持兆瓦峰值功率,使其成为高能量短脉冲放大的理想选择。

SCF放大器

用于放大的优选配置使用直径1mm、长度约 30~50mm 的掺钕或掺镱的 YAG SCF。Yb :YAG 介质是 USP激光系统的首选,因为它具有更大的吸收和发射带宽、更高的上激光能级寿命和每单位泵浦功率较低的热负荷。

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