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高功率单模光纤激光器最新进展分析

如果说激光技术领域有一个明显的趋势,那就是光纤激光器的兴起。在高功率切割和焊接应用方面,光纤激光器已经从高功率 CO2 激光器和固体激光器手中抢占了大量市场份额。目前,一些主流的光纤激光器制造商正在探索许多新的应用,以满足更多市场需求。

在高功率光纤激光器中,单模系统具有令人满意的特性 :它们具有高的亮度,可以聚焦至几微米到最高的强度。它们还具有最大的焦深,这使它们最适合远程加工。

然而它们难以制造,只有市场领先的美国IPG Photonics 公司才能提供具有单模10kW 功率的系统。不幸的是,没有关于其光束特性的细节,特别是可能与单模光束一起存在的任何可能的多模成分。

由德国政府资助、来自德国Friedrich Schiller University 和弗劳恩霍夫应用光学与精密工程研究所(Fraunhofer IOF)的科学家团队与德国通快公司、Active Fiber Systems 公司、 业 纳 公 司 和 Leibniz Institute ofPhotonic Technology 合作,分析了提升这种激光器功率的挑战,然后开发了新的光纤来克服这些限制。该团队成功地完成了一系列测试,展示了4.3kW 的单模输出,其中光纤激光器输出仅受到输入泵浦功率的限制。

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图1:德国的一个研究团队已经展示了光纤激光器的4.3kW单模输出,其输出仅受到输入泵浦功率的限制。

抑制单模光纤激光提升的效应

这种单模大功率光纤激光器面临的挑战是什么?这些挑战主要可分为三个领域 :a)改进泵浦,b)设计具有低光学损耗且仅在单模运行下工作的有源光纤,以及 c)正确测量所得到的辐射。在本文中,我们假设挑战 a)可以通过高亮度激光二极管和适当的耦合技术得以解决,因此我们将主要精力聚焦在其他两个挑战领域。

在用于高功率单模运行的有源光纤设计中,有两组通用参数要优化 :掺杂和几何形状。必须确定所有参数以实现最小损耗、单模运行以及最后的高功率放大。完美的光纤放大器将提供超过90%的高转换率、完美的光束质量,以及仅由可用的泵浦功率限制的输出功率。

然而,将单模系统提升到较高功率可能导致激活纤芯内更高的功率密度,增加的热负载以及许多非线性光学效应,例如受激拉曼散射(SRS)和受激布里渊散射(SBS)。

最引人注目的是掺镱石英光纤典型的一种效应,并且在光纤激光器早期当光纤材料不像今天这样纯净时是众所周知的,这就是光致暗化。在该过程中,由于激光材料相互作用,在材料中形成缺陷中心或色心。这种效应是寄生的:它将泵浦光子转换成热,这导致较低的放大和增加的热负荷。

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根据激活纤芯的尺寸,可以激发和放大几种横模。对于纤芯和包层之间给定的折射率阶跃,激活纤芯的截面越小,这些模式的数量就越小。然而,更小的直径也意味着更高的功率密度。一些技巧包括弯曲光纤增加高阶模式的损耗。

然而,对于较大的芯径,以及在热负载下,可能会出现其他模式。那些模式在放大期间经受相互作用,没有最佳传播条件,输出分布可能会在空间或时间上不稳定。

横模不稳定性

掺镱(Yb)光纤是高功率单模光纤激光器的典型主力介质。但超过一定的阈值,它们将显示出全新的效应,即所谓的横向模式不稳定性(TMI)。在特定功率水平下,突然出现高阶模式或甚至包层模式,能量在这些模式之间动态传递,并且光束质量降低。光束在输出端开始波动。

自从发现 TMI 以来,已经在从阶跃折射率光纤到光子晶体光纤的各种光纤设计中观察到 TMI。只有其阈值随几何形状和掺杂而变化,但粗略估计,这种效应在输出功率超过 1kW后才显现。与此同时,该效应与光纤内部的热效应相结合,与光致暗化效应有很强的相关性。此外,光纤激光器对 TMI 的敏感性似乎受到纤芯模态组成的影响。

阶跃折射率光纤的几何形状产生了许多用于优化的参数。纤芯直径、泵浦包层的尺寸,以及纤芯和泵浦包层之间的折射率差异,都可以调整。这种调谐取决于掺杂浓度,也就是说,Yb 离子的浓度可用于控制激活光纤中泵浦辐射的吸收长度。 可以添加其他掺杂剂以减少热效应,并控制折射率阶跃。

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但有一些相反的要求。为了减少非线性效应,光纤应该更短。然而,为了减少热负荷,光纤应该更长。光致暗化随着掺杂浓度的平方增加,因此具有较低掺杂的较长光纤将更好。

有关这些参数的最初建议,可以在模拟中发现。一些参数,例如热行为,可以模拟但难以预测,尤其是因为光致暗化很低,并且不能通过加速测试来测量。因此,直接测量光纤中的热行为,将有助于实验的规划。

对于典型的有源光纤,图 2 给出了从光纤放大器内部同时分布式温度测量提取的测量热负荷与模拟热负荷的比较。为了准确地预测纵向温度曲线,假定仅有 2dB/km 的额外损耗,这显示了非常低的损耗。

光纤设计的另一项重要参数是截止波长,这是允许在激活纤芯内有更多模式的最长波长。不支持大于该波长的高阶模式。

除了光纤本身的性质之外,还有几种方式来影响放大过程和损耗机制,例如光纤弯曲或种子光束的时间特性和光谱特性。

面向千瓦级功率的新光纤的测试

在深入模拟之后,在最近的实验中生产和检查了两种类型的掺 Yb 光纤。光 纤 1 的纤芯直径为 30μm,并且共掺了磷和铝。与光纤 1 相比,光纤 2 具有较小的 23μm 直径,并且共掺水平较低,但含有更多的镱,以实现略高的折射率分布(见表 1)。

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光纤 1 和光纤 2 的计算截止波长分别位于 1275nm 和 1100nm 附 近。与芯径为 20μm、数值孔径(NA)为0.06、截止波长约 1450nm 的典型光纤相比,这要接近单模得多。放大的激光波长中心为 1067nm。

两种光纤都已经在高功率泵浦方案中进行了测试(见图 3)。泵浦二极管激光和种子信号被自由空间耦合到光纤中,光纤制备有熔接的端帽和水冲洗接头,在静止水浴中用于冷却。种子是相位调制的外腔二极管激光器(ECDL),其被预放大,以实现1067nm 的 10W 种子功率和 180pm 的光谱线宽。

在光纤 1 的测试中,在 2.8kW 的阈值下,在毫秒级上观察到突然的波动,这可以归因于 TMI。长度为30m、种子线宽相同的光纤 2,被泵浦到 3.5kW 的输出功率,受到 SBS而非 TMI 限制。

在第三个实验中,修改种子激光光谱,通过光谱展宽到比以前实验更高的程度,来提高光纤的 SBS 阈值。为此,将具有 300pm 移动中心波长的第二个二极管激光器与第一个二极管激光器组合。

这种干扰导致时间跳动,由于自相位调制,使得带宽随功率增加。在与之前相同的主放大器中,获得非常相似的输出功率值和 90%的斜率效率,但是输出功率可以提升到4.3kW,而没有任何 TMI 的迹象(见表 2)。

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测量挑战

测量高功率光纤激光器的所有方面是一项主要工作,需要专门的设备进行多项不同的任务。对于光纤的完全表征,确定了掺杂浓度、折射率分布和光纤纤芯衰减。 例如,测量不同弯曲直径的纤芯损耗,对于与 TMI阈值的相关性是有价值的。

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在上述光纤放大器测试期间,使用光电二极管分析的一小部分功率来确定 TMI 阈值。功率波动的发生相当突然和显著(见图 5)。虽然在使用光纤 1 的测试中,这种信号变化是显著的,但对于光纤 2 的功率水平达到4.3kW 都无法探测到这种情况。相应的斜率如图 5a 所示。

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光谱和时间测量可以用常规技术来执行。它们允许探测诸如 SBS 发生(与 TMI 不同的时间特征)或 SRS(光谱特征)等效应。应当注意在高动态范围内进行测量,以观察寄生光谱特征的早期生长,如放大自发发射或SRS。这种高动态光谱如图 5b 所示,并证明 SRS 是不可探测的。

光束质量测量是光纤激光表征中最困难的部分,值得单独讨论。简言之,不引入热效应的衰减是关键,可以用菲涅耳反射或低损耗透射光学元件来完成。

在这里介绍的实验中,使用楔形平板和脉冲泵浦,在比 TMI 出现的时间长的时间范围上进行衰减。在4.3kW 的输出功率下,测得 x 方向上的 M2 为 1.27,y 方向上的 M2 为 1.21。

超快科学中的应用

在高功率单模光纤激光器功率提升大约十年的停滞之后,现在开发新一代具有优异光束质量的千瓦级光纤激光器似乎是可行的。业界已经展示了 4.3kW 的输出功率,并且输出仅受泵浦功率限制。确定了进一步提升的主要限制,并确定了克服这些限制的方法。

应当注意的是,对所有已知效应的仔细研究和随后的参数优化,带来了光纤设计的进步,并最终带来了输出功率的新记录。进一步提升和光纤适应其他应用看起来似乎是可行的,这将是接下来的目标。

这带来了一些有趣的观点。一方面,项目合作伙伴希望将结果转化为工业产品,但需要进一步的重大开发力量。另一方面,该技术与其他光纤激光系统(例如飞秒光纤放大器)的提升高度相关。

在超快激光脉冲的光纤放大中,单根光纤已经实现了近1 kW的功率,而通过组束技术,提升到 5kW 现在看来是可行的。虽然这些系统正在为诸如 ELI 等研究中心研发,开发可靠的光束传输手段仍然是工业系统的一项主要挑战。

单模光纤激光器和飞秒光纤放大器的提升,都将需要大量额外的研究工作。这一努力将得到 FraunhoferIOF 旁边一幢全新大楼的支持。这个新的光纤技术中心建筑于 2016 年完工,并设有专门的实验室,用于制造和表征有源光纤、无源光纤以及纳米结构光纤。还将安装用于制造特种光纤的单独拉丝塔。


(来源:激光世界   Thomas Schreiber,Andreas Tünnermann,Andreas Thoss)