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锥形双包层光纤:超快大功率激光加工的未来

脉冲持续时间在飞秒和皮秒范围内的超快激光器目前在许多工业制造过程中起着重要作用,这些激光在高质量、“冷加工”中的价值,再加上激光技术、工艺开发、光束处理和交付方面的进步,为众多先进的科学和工业应用打开了大门。

现在,使用锥形双包层光纤(T-DCF)放大器的最新技术提供了一种具有高空间效率格式且具有出色光束特性的高功率发展前景,最显着的是,其生产成本仅比普通光纤高。这意味着这些超快激光器的每瓦成本日益重要,可以通过提高处理速度和精度获得快速的投资回报。

过去十年中,通过使用包层泵浦光纤架构(例如NKT Photonics aeroGAIN-ROD1),稀土掺杂光纤源的输出功率急剧上升,导致了一系列具有卓越性能的光纤设备光束质量,总体效率以及工作波长和辐射格式的灵活性方面的性能。尽管使用Amphos InnoSlab技术等新配置也使固态高功率超快技术取得了重大进步,但固态增益材料的高成本和热管理方面的挑战仍可能对其广泛采用构成重大障碍。

欧盟委员会(EC)资助了PULSE项目,以支持具有竞争力的技术的开发,这些技术可实现更快,更精确和非热的激光制造。Ampliconyx Oy和包括菲亚特·克莱斯勒在内的欧洲合作伙伴联盟现在正在开发一种T-DCF激光器,该激光器可提供高达2.5 kW的功率,脉冲持续时间短至100 fs,重复频率高达1GHz。完整的激光处理系统将使用多边形扫描仪技术和光纤集成光学器件,以高达1.5 km / s的扫描速度处理大功率超短脉冲,从而提供最小10μm的光斑。

大功率超快光纤激光器的兴起

超快脉冲激光器已经呈指数增长,已申请专利的数量从每年约100到500增加了五倍。飞秒激光加工使许多先进的利基应用受益,包括在光子学,微电子学,MEMS和许多其他市场。

光纤激光器,固态激光器和磁盘激光器是产生高平均功率的最有希望的候选者。与固态和盘形激光器相比,光纤激光器的突出特点是结构紧凑,坚固耐用,效率高,易于热管理以及光束质量可靠。显着降低的生产和维护成本也使基于光纤的方法对于皮秒和飞秒高重复频率千瓦级激光器的开发非常有吸引力。

当今高平均功率光纤激光器一般采用啁啾脉冲放大(CPA)技术,但是,在基于升压光纤的放大器中,即使对于高度扩展的脉冲,光峰值强度也会变得非常高,从而产生有害的非线性脉冲失真,甚至会破坏增益介质或其他光学元件。此外,在脉冲高功率系统中,经常会出现其他非线性效应,例如自相位调制,受激拉曼散射(SRS),模式不稳定性以及较差的输出光束质量,从而限制了它们的性能。

解决脉冲信号放大问题的主要方法是增大光纤的纤芯直径。开发了具有大模态面积的特殊活性纤维,以增加活性纤维的表面积与活性体积之比,从而改善散热并提高非线性效应的阈值,从而实现功率缩放。最先进的基于高功率光纤的技术已经在单个脉冲放大通道2中达到了> 1 kW,并为未来的超短多千瓦级光纤激光器系统奠定了基础。

已经开发出几种具有大有效模式面积(LMA)的有源光纤,以实现高功率缩放。它们是具有低孔径纤芯,微结构杆状纤维,螺旋纤芯或手性耦合纤芯纤维和T-DCF的著名LMA纤维。用这些低孔径技术获得的模场直径(MFD)通常不超过20–30μm。微结构棒状纤维具有高达65μm的更大的MFD,并且性能良好。最近,包含大间距光纤(LPF)的飞秒主振荡器功率放大器(MOPA)展示了令人印象深刻的2.2 mJ脉冲能量。 然而,LPF的制造非常复杂,需要大量的技术处理,例如对纤维预成型件的精密钻孔,从而导致更高的生产成本。这些纤维对弯曲也非常敏感,这意味着要获得足够的坚固性可能会很困难,而且使用LPF很难设想合理的生产成本。

克服光纤激光功率缩放中的非线性影响

T-DCF是基于大功率光纤的CPA系统的有希望的替代方案之一,它可以最大程度地减少非线性影响,同时通过将其替换为单级来简化正常的多级放大链。T-DCF是使用特殊的光纤拉制工艺形成的双包层光纤,其中控制温度和拉力以沿着光纤的长度形成锥度,通过使用预包层的光纤预型件,纤芯以及内包层和内包层的直径和厚度均沿光纤的全长变化。

形成锥形几何形状的双包层光纤的结果是引入细端的光在宽纤芯中传播,而不改变模式含量。众所周知,依次增加多个系列的圆柱形光纤放大器的直径通常会增加不必要的非线性效应的阈值,T-DCF设计在单根光纤中融合了这一优势,结果,光放大通过提高非线性效应(包括布里渊和拉曼散射)的刺激阈值来保持出色的光束质量。

由于其特定的几何形状,T-DCF技术可用于直接放大宽范围的脉冲信号:从短(数十皮秒)到长(高达数百纳秒)和从窄(几十皮秒)皮米(几米)到宽线宽(几十纳米)。根据研究,使用具有0.11数值孔径(NA)的最大端芯直径达200 μm的锥形光纤,记录了峰值功率和能量放大水平,并记录了具有300 μJ能量且无非线性失真的60ps脉冲。

光纤的双包层结构意味着其纤芯可以以比仅在纤芯中传播的功率更高的功率被泵浦,与具有类似水平的活性离子掺杂的圆柱形光纤相比,在锥形光纤中每单位长度的泵浦光的吸收和转换更高,这是由于改进的包层模式混合以及由于包层更厚而在锥的较厚端具有更高的吸收,这也意味着,稀土离子掺杂剂可以有效地集中在T-DCF的宽端,因为几何形状将其存在与直径的平方成正比。

生产简单,组装紧凑

T-DCF的最大优势之一是生产简单。特殊大功率纤维(微结构棒状纤维,3C或LCF)的预成型件生产涉及复杂的技术和严格的结构要求,相比之下,T-DCF是使用标准纤维预制棒制成的。简单的生产技术会在牵拉过程中改变拉伸速度,从而导致纤维直径沿其长度变化,T-DCF的生产几乎与常规活性纤维的生产一样简单。T-DCF光纤的直径可以缩小到35 cm,这使得高功率放大器封装非常紧凑,而性能却不会下降。

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