高功率光纤激光器研究现状分析ppt
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高功率光纤激光器
2019/9/22
5
高功率光纤激光器的主要特性
在光纤材料中掺杂铒(Er)，铥(Tm)，镨(Pr)， 镱(Yb)等不同的稀土元素便会使光纤激光器有 多种不同的输出波长；
由于双包层泵浦技术
(Double Cladding Pumped Technology) 的发 明与特殊工艺的融合便诞生了高功率的光纤激 光器；
外包层
内包层
纤芯
输出光束
2019/9/22
宽面二极管
21
包层光线横截面与包层泵浦技术示意图
Section of cladding fiber and cladding pumping technology
内包层
Inner clad
纤芯
Core
外包层
Outer clad
偏心圆内包层
ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ
2019/9/22
掺镱双包层泵浦光纤 低折射率的外包层光纤 输出端
2019/9/22
10
高功率光纤激光器的工作原理-4
特殊耦合器
2019/9/22
多模Diode Pnmp
5m纤芯
Tapered Fiber Bundle
11
高功率光纤激光器的工作原理-5
7 MM Fiber 0.16 NA
Single mode output
多模泵浦光 Multi-mode pump light
特殊设计的树杈形包层光纤
Cladding fiber in “the fork of a tree”shape
单模输出 Laser output Single-mode
在单模纤芯内被镱原子吸收的多模泵浦光
Multi-mode pump light is absorbed by ytterbium atoms in the single-mode core
《光纤激光器》PPT课件 (2)
因此激光器的第三个要素就是要有一个功率源， 它所提供的能量至少要能够产生阈值反转密度。在 半导体激光器中这一功率源是以电能形式提供激发 功率的。
光纤激光器根本原理
光纤激光器和其他激光器一样，由能产生光子的增益介 质，使光子得到反响并在增益介质中进展谐振放大的光 学谐振腔和鼓励光跃迁的泵浦源三局部组成。
光纤激光器的开展
1985年英国南安普敦大学的研究组取得突出成绩。他 们用 MCVD方法制作成功单模光纤激光器 ,此后他们先后 报道了光纤激光器的调Q、锁模、单纵模输出以及光纤放 大方面的研究工作。英国通信研究实验室(BTRL )于 1987 年展示了用各种定向耦合器制作的精巧的光纤激光器装置, 同时在增益和激发态吸收等研究领域中也做了大量的根底 工作,在用氟化锆光纤激光器获得各种波长的激光输出谱线 方面做了开拓性的工作。世界上还有很多研究机构活泼在 这个研究领域 ,如德国汉堡技术大学 ,日本的 NTT、 三菱 , 美国的 贝尔实验室 ,斯坦福大学等。
共振腔还有另一个作用：在共振腔内形成的受激光一 局部通过共振腔端面发射出去成为受激光发射，另外一局 部被端面反射回来，在共振腔内继续激发出受激辐射。所 以，只要在共振腔内的激光材料始终保持粒子数反转条件， 就可以获得连续的受激光发射。
3．功率源
为了使激光器产生激光输出，必须使共振腔中 激光材料的增益到达阈值增益，也就是说要使粒子 数反转到达一·定的程度，称为阈值反转密度。
Er3+(4F13/2—4I15/2)有1.54 m发射谱线，与Nd激光 器一样，用0.514 m的激光泵浦，便可产生振荡，其荧 光光谱有1.534和1.549 m峰，寿命8—12ms。 Er激光 为三能级激光，因此用块状材料实现连续振荡比较困难， 但用纤维激光器，可实现空运连续振荡，阈值30mw左右。 插入衍射光栅，也可在1.53—1.55 m范围内实现波长可
光纤激光器根本原理
光纤激光器和其他激光器一样，由能产生光子的增益介 质，使光子得到反响并在增益介质中进展谐振放大的光 学谐振腔和鼓励光跃迁的泵浦源三局部组成。
光纤激光器的开展
1985年英国南安普敦大学的研究组取得突出成绩。他 们用 MCVD方法制作成功单模光纤激光器 ,此后他们先后 报道了光纤激光器的调Q、锁模、单纵模输出以及光纤放 大方面的研究工作。英国通信研究实验室(BTRL )于 1987 年展示了用各种定向耦合器制作的精巧的光纤激光器装置, 同时在增益和激发态吸收等研究领域中也做了大量的根底 工作,在用氟化锆光纤激光器获得各种波长的激光输出谱线 方面做了开拓性的工作。世界上还有很多研究机构活泼在 这个研究领域 ,如德国汉堡技术大学 ,日本的 NTT、 三菱 , 美国的 贝尔实验室 ,斯坦福大学等。
共振腔还有另一个作用：在共振腔内形成的受激光一 局部通过共振腔端面发射出去成为受激光发射，另外一局 部被端面反射回来，在共振腔内继续激发出受激辐射。所 以，只要在共振腔内的激光材料始终保持粒子数反转条件， 就可以获得连续的受激光发射。
3．功率源
为了使激光器产生激光输出，必须使共振腔中 激光材料的增益到达阈值增益，也就是说要使粒子 数反转到达一·定的程度，称为阈值反转密度。
Er3+(4F13/2—4I15/2)有1.54 m发射谱线，与Nd激光 器一样，用0.514 m的激光泵浦，便可产生振荡，其荧 光光谱有1.534和1.549 m峰，寿命8—12ms。 Er激光 为三能级激光，因此用块状材料实现连续振荡比较困难， 但用纤维激光器，可实现空运连续振荡，阈值30mw左右。 插入衍射光栅，也可在1.53—1.55 m范围内实现波长可
高功率光纤激光器ppt课件
Process Fiber Diameter 100 µm
Process Fiber Length
up to 50m
BPP mrad
3 mm x
Footprint
856 x 806 mm
Hight
1186 mm
Power Consumption
max. 7 kW
Wall Plug Efficiency
芯径
长度
最小弯曲 最小盘绕半径 数值孔径 半径
QB
IPG最常 50-1000 5-200 200mm 300mm
0.2
用型号 µm
m
QD
欧洲汽车 50-1000 5-200 200mm 300mm
0.2
工业标准 µm
m
1.5 最小弯曲半径与盘绕半径的数量区别
1.6 最小盘绕半径不同情况的盘绕对比
Wall Plug Efficiency ~ 30%
Weight
1200 kg
返 回
YLS-2000-S2T-QCW Fiber Laser
Peak Power
4.0 kW
(@ workpiece)
Wave Length:
1070 nm
Internal 2-ways BS
installed
Feeding Fiber Diameter 50 µm
内置两路光闸
P ≤ 2500 W
P ≥ 3000 W
8、激光器型号综述
YLS-xx- yy-QCW series 带QCW选项的多模光纤激光器
YLR-xx-ST2(SST2) series 在机柜上部带有两路光闸的多模光纤激光器
内置两路光闸
光纤激光器ppt
Resonant Fiber Laser光纤激光器BY 12046210目录概述原理特性光纤激光器优势光纤激光器关键技术总结光纤激光器概述自从光纤激光器问世后，高功率光纤激光器成为激光领域最为活跃的研究方向之一。
随着新型泵浦技术的采用和大功率半导体激光器制造工业的进一步发展成熟，光纤激光器得到了飞速发展。
光纤激光器应用范围非常广泛，包括激光光纤通讯、激光空间远距通讯、工业造船、汽车制造、激光雕刻激光打标激光切割、印刷制辊、金属非金属钻孔/切割/焊接（铜焊、淬水、包层以及深度焊接）、军事国防安全、医疗器械仪器设备、大型基础建设，作为其他激光器的泵浦源等等。
从原理上来讲光纤激光器和传统的固体、气体激光器一样，光纤激光器也是由泵浦源、增益介质、谐振腔三个基本要素组成。
泵浦源一般采用高功率半导体激光器，增益介质为稀土掺杂光纤或普通非线性光纤，谐振腔可以由光纤光栅等光学反馈元件构成各种直线型谐振腔，也可以用耦合器构成各种环形谐振腔。
泵浦光经适当的光学系统耦合进入增益光纤，增益光纤在吸收泵浦光后形成粒子数反转或非线性增益并产生自发发射。
所产生的自发发射光经受激放大和谐振腔的选模作用后，最终形成稳定激光输出。
以稀土掺杂光纤激光器为例，掺有稀土离子的光纤芯作为增益介质，掺杂光纤固定在两个反射镜间构成谐振腔，泵浦光从M1入射到光纤中，从M2输出激光。
当泵浦光通过光纤时，光纤中的稀土离子吸收泵浦光，其电子被激励到较高的激发能级上，实现了离子数反转。
反转后的粒子以辐射形成从高能级转移到基态，输出激光。
光纤激光器作为第三代激光技术的代表，具备很多优势（1）玻璃光纤制造成本低、技术成熟及其光纤的可饶性所带来的小型化、集约化优势；（2）玻璃光纤对入射泵浦光不需要像晶体那样的严格的相位匹配，这是由于玻璃基质Stark 分裂引起的非均匀展宽造成吸收带较宽的缘故；（3）玻璃材料具有极低的体积面积比，散热快、损耗低，所以转换效率较高，激光阈值低；（4）输出激光波长多：这是因为稀土离子能级非常丰富及其稀土离子种类之多；（5）可调谐性：由于稀土离子能级宽和玻璃光纤的荧光谱较宽。
高功率连续波光纤激光器时域不稳定性及其抑制研究
详细描述
随着温度的升高，光纤激光器的阈值电流会降低，同时量子效率也会提高， 导致更多的光功率被产生。此外，温度变化还会引起光纤中的折射率发生变 化，进而影响激光器的输出特性。
光学元件质量对时域不稳定性的影响
总结词
光学元件的质量对高功率连续波光纤激光器的时域不稳定性具有重要影响。
详细描述
光学元件的质量不佳可能会导致光束质量下降、光束发散增加以及激光器效率降 低等问题。此外，光学元件上的污染和损伤也会导致激光器性能下降。
02
光纤激光器利用光纤中的折射率分布和光波导效应来限制和传导光束，实现光 放大和激光发射。
03
光纤激光器具有高亮度、高效率、低热负荷等优点，被广泛应用于通信、医疗 、军事等领域。
时域不稳定性现象与机制
高功率连续波光纤激光器在运行过程中，有时 会出现时域不稳定现象，表现为输出光束的质 量下降、噪声增加等。
光学注入种子技术
总结词
高稳定性、高亮度、高相干性
详细描述
光学注入种子技术是一种将主激光器输出的光作为种子光注入到另一个激光 器中，借助种子光的稳定性提高激光器的输出性能。通过光学注入种子技术 ，可以实现高稳定性、高亮度和高相干性的激光输出。
05
时域不稳定性抑制方法的实 验验证与结果分析
实验装置与方案
2023
《高功率连续波光纤激光 器时域不稳定性及其抑制
研究》
目录
• 引言 • 高功率连续波光纤激光器时域不稳定性分析 • 高功率连续波光纤激光器时域不稳定性影响因素 • 高功率连续波光纤激光器时域不稳定性抑制方法
目录
• 时域不稳定性抑制方法的实验验证与结果分析 • 结论与展望
01
引言
研究背景与意义
随着温度的升高，光纤激光器的阈值电流会降低，同时量子效率也会提高， 导致更多的光功率被产生。此外，温度变化还会引起光纤中的折射率发生变 化，进而影响激光器的输出特性。
光学元件质量对时域不稳定性的影响
总结词
光学元件的质量对高功率连续波光纤激光器的时域不稳定性具有重要影响。
详细描述
光学元件的质量不佳可能会导致光束质量下降、光束发散增加以及激光器效率降 低等问题。此外，光学元件上的污染和损伤也会导致激光器性能下降。
02
光纤激光器利用光纤中的折射率分布和光波导效应来限制和传导光束，实现光 放大和激光发射。
03
光纤激光器具有高亮度、高效率、低热负荷等优点，被广泛应用于通信、医疗 、军事等领域。
时域不稳定性现象与机制
高功率连续波光纤激光器在运行过程中，有时 会出现时域不稳定现象，表现为输出光束的质 量下降、噪声增加等。
光学注入种子技术
总结词
高稳定性、高亮度、高相干性
详细描述
光学注入种子技术是一种将主激光器输出的光作为种子光注入到另一个激光 器中，借助种子光的稳定性提高激光器的输出性能。通过光学注入种子技术 ，可以实现高稳定性、高亮度和高相干性的激光输出。
05
时域不稳定性抑制方法的实 验验证与结果分析
实验装置与方案
2023
《高功率连续波光纤激光 器时域不稳定性及其抑制
研究》
目录
• 引言 • 高功率连续波光纤激光器时域不稳定性分析 • 高功率连续波光纤激光器时域不稳定性影响因素 • 高功率连续波光纤激光器时域不稳定性抑制方法
目录
• 时域不稳定性抑制方法的实验验证与结果分析 • 结论与展望
01
引言
研究背景与意义
高功率光纤激光器研究现状分析
致力于大模场光纤的主要研究机构
美国能源部Sandia国家实验室 美国Aculight 公司 美国OFS实验室 美国罗切斯特大学(University of Rochester) 美国密执安大学(University of Michian) 德国耶拿大学(University of Jena) 德国IPG光子公司 英国南安普敦大学(University of Southampton) 芬兰Liekki公司 日本北海道大学(Hokkaido University)
19
1.2 模式选择控制
❖ 增益导引
增益影响模场分布
无增益 : 5194 um2 有增益：3868 um2
20
1.2 模式选择控制
❖ 增益导引
增益分布与模式竞争能力
g0 g0r,,zg0z f r,
dPi z
dz
i
zg0
zPi z
iz1fIr0,r,i,zr,/Isa2t rdrd
Γi(z) g0 Pi(z) φi(r,θ) I0(r,θ,z)
孔之间的间隙为高阶模的泄漏通道，依靠对不同模式的约束损 耗差别进行选模，结构简单，稳定性好，易做成保偏光纤。
Ref. Liang Dong Opt. Express. 14(24):11512-11519，2006 32
2.2 泄漏通道的孔助导光型光纤
d=50um, Aeff ＝ 1400 um2 , M2～ 1.2, η=84%, 保偏光纤 不存在严格意义上的导模，高阶模的约束损耗<0.02dB/m
5
研究的总体思路
立足于光纤的结构设计，通过改变纤芯 或包层的折射率分布，降低等效折射率差， 并改进纤芯的掺杂分布，突出基模的增益优 势，达到增大模场面积、抑制高阶模的目的， 同时借助于外部的选模方式、模式转换等机 制，有效滤除高阶模，实现单模输出，并确 保系统稳定工作。
高功率光纤激光器研究现状分析
传统激光光纤增益作用微乎其微，而大模场光纤，折射率差小到 10－3～10－4, 增益0.1～1/cm，增益导引与折射率导引共同作用。
19
1.2 模式选择控制
增益导引
增益影响模场分布
无增益 : 5194 um2 有增益：3868 um2
20
1.2 模式选择控制
增益导引
增益分布与模式竞争能力
5
研究的总体思路
立足于光纤的结构设计，通过改变纤芯 或包层的折射率分布，降低等效折射率差， 并改进纤芯的掺杂分布，突出基模的增益优 势，达到增大模场面积、抑制高阶模的目的， 同时借助于外部的选模方式、模式转换等机 制，有效滤除高阶模，实现单模输出，并确 保系统稳定工作。
6
1. 主要技术路线
复合导引光纤
美国能源部Sandia国家实验室 美国Aculight 公司 美国OFS实验室 美国罗切斯特大学(University of Rochester) 美国密执安大学(University of Michian) 德国耶拿大学(University of Jena) 德国IPG光子公司 英国南安普敦大学(University of Southampton) 芬兰Liekki公司 日本北海道大学(Hokkaido University)
美国佛罗里达中央大学进行了许 多负折射率光纤激光器的实验
磷酸盐玻璃光纤 灯泵浦 平平腔结构
Ref. A. E. Siegman, J。Appl. Phy. Lett. 2006，89: 251101 34
2.3 负折射率光纤
100um光纤实验结果
100um Core，10% Nd-doped ncore-nClad=-n Clad×0.35%， ni～10－4 ，L＝13cm，M2 < 2 ，P ≈ 1.1 mJ ，光光效率30％
高功率光纤激光器的研究进展
维普资讯
第３ ７卷 第 ７期 ２０ ０ ７年 ７月
激 光 与 红 外
ＬＡ Ｅ Ｓ Ｒ ＆ Ｉ ＲＡＲＥ ＮＦ Ｄ
Ｖ０ ． ７． ． １ ３ Ｎｏ ７
Ｊ ｌ ，０ ７ ｕｙ ２ ０
文章编 号 ：０ １５ ７ （０ ７ ０ －５９０ １０ － ８ ２ ０ ） ７０ ８ －４ ０
Ｙ ｂ石英双包层光纤是实现高功率光纤激光器或放 大器 的最佳 选择 。 大模面积 （ Ｍ ， 称 大模场 ） 纤 的设计 成 Ｌ Ａ亦 光 功， 也是高性 能光纤发展 中的一个重大创新 。Ｌ Ａ Ｍ 光纤 的纤 芯 密度 大 为 降 低 ， 效 地 抑 制 了久 难 解决 有
的热光问题。采用低数值孔径 （ Ａ） Ｍ Ｎ Ｌ Ａ光纤 的激 光器和放大器， 以获得更高功率 的衍射限光束质 可 量 的激 光 输 出。最 近 几 年 ， 由于 双 包 层 、 模 面积 、 大 高性能掺杂光纤制造技术进展和可靠的 Ｌ Ｄ激光泵
Ｒｅ ｅ ｒ ｈ Ｐｒ ｇ ｅ ｓ ｏ ｇ ｐｏ ｒ Ｆｉ ｅ ｓ ｒ ｓ ａ ｃ ｏ ｒ ｓ ｆＨｉ ｈ— ｗｅ ｂ ｒ Ｌａ ｅ ｓ
ＣＨＥＮ ａ ． ａ Ｍｉ ｏ ｈ ｉ
（ ｏｔ ｈｎ ｅｅｒｈＩｓｔｔ ｆ ｌ ｔ －ｐｉ ， ｅ ｉｇ１０ １ ， ｈｎ ） Ｎ ｒ Ｃ ｉａＲ ｓａｃ ｎｔｕｅｏ ｅ ｒ ｏｔ ｓ Ｂ ｉｎ ０ ０ ５ Ｃ ｉａ ｈ ｉ Ｅ ｃｏ展
陈苗 海
（ 华北光电技术研究所 ， 北京 １０ １ ） ００５
摘
要 ： 章扼 要地 介 绍 国际上 高功 率 光 纤激 光器 的进 展状 况 ， 点介 绍近 几年 国 内外高 功率 文 重 光纤激光器与放大器的发展水平和动向。 关键 词 ： 纤激 光器 ； 功率 光 纤激 光器 ； 镱双 包 层光 纤 ； 光 高 掺 大模 面 积 ； 子 晶体 光 纤 光 中图分 类号 ：Ｎ ４ ． Ｔ ２８ １ 文 献 标识 码 ： Ａ
第３ ７卷 第 ７期 ２０ ０ ７年 ７月
激 光 与 红 外
ＬＡ Ｅ Ｓ Ｒ ＆ Ｉ ＲＡＲＥ ＮＦ Ｄ
Ｖ０ ． ７． ． １ ３ Ｎｏ ７
Ｊ ｌ ，０ ７ ｕｙ ２ ０
文章编 号 ：０ １５ ７ （０ ７ ０ －５９０ １０ － ８ ２ ０ ） ７０ ８ －４ ０
Ｙ ｂ石英双包层光纤是实现高功率光纤激光器或放 大器 的最佳 选择 。 大模面积 （ Ｍ ， 称 大模场 ） 纤 的设计 成 Ｌ Ａ亦 光 功， 也是高性 能光纤发展 中的一个重大创新 。Ｌ Ａ Ｍ 光纤 的纤 芯 密度 大 为 降 低 ， 效 地 抑 制 了久 难 解决 有
的热光问题。采用低数值孔径 （ Ａ） Ｍ Ｎ Ｌ Ａ光纤 的激 光器和放大器， 以获得更高功率 的衍射限光束质 可 量 的激 光 输 出。最 近 几 年 ， 由于 双 包 层 、 模 面积 、 大 高性能掺杂光纤制造技术进展和可靠的 Ｌ Ｄ激光泵
Ｒｅ ｅ ｒ ｈ Ｐｒ ｇ ｅ ｓ ｏ ｇ ｐｏ ｒ Ｆｉ ｅ ｓ ｒ ｓ ａ ｃ ｏ ｒ ｓ ｆＨｉ ｈ— ｗｅ ｂ ｒ Ｌａ ｅ ｓ
ＣＨＥＮ ａ ． ａ Ｍｉ ｏ ｈ ｉ
（ ｏｔ ｈｎ ｅｅｒｈＩｓｔｔ ｆ ｌ ｔ －ｐｉ ， ｅ ｉｇ１０ １ ， ｈｎ ） Ｎ ｒ Ｃ ｉａＲ ｓａｃ ｎｔｕｅｏ ｅ ｒ ｏｔ ｓ Ｂ ｉｎ ０ ０ ５ Ｃ ｉａ ｈ ｉ Ｅ ｃｏ展
陈苗 海
（ 华北光电技术研究所 ， 北京 １０ １ ） ００５
摘
要 ： 章扼 要地 介 绍 国际上 高功 率 光 纤激 光器 的进 展状 况 ， 点介 绍近 几年 国 内外高 功率 文 重 光纤激光器与放大器的发展水平和动向。 关键 词 ： 纤激 光器 ； 功率 光 纤激 光器 ； 镱双 包 层光 纤 ； 光 高 掺 大模 面 积 ； 子 晶体 光 纤 光 中图分 类号 ：Ｎ ４ ． Ｔ ２８ １ 文 献 标识 码 ： Ａ
我国高功率拉曼光纤激光器研究取得进展
活性炭知识活性炭知识近期，中国科学院上海光学精密机械研究所空间激光信息技术研究中心冯衍研究员领衔的课题组，在高功率拉曼光纤激光器研究中取得新进展。
提出了一种镱-拉曼集成的光纤放大器结构，有效地解决了拉曼光纤激光器功率提升的主要技术瓶颈问题，在1120nm波长，首次获得580W的单横模线偏振拉曼光纤激光和1.3kW的近单模拉曼光纤激光输出。
近年来，高功率光纤激光器发展迅速。
1μm波段的掺镱光纤激光器，近衍射极限输出功率可达20kW，多横模输出功率可达100kW。
尽管如此，稀土掺杂光纤激光器的输出波长，因稀土离子能级跃迁的限制，仅能覆盖有限的光谱范围，限制了其应用领域。
基于光纤中受激拉曼散射效应的拉曼光纤激光器是拓展光纤激光器波长范围的有效手段。
该项研究中，在一般的高功率掺镱光纤放大器中注入两个或多个波长的种子激光，波长间隔对应光纤的拉曼频移量。
处于镱离子增益带宽中心的种子激光率先获得放大后，在后续光纤中作为泵浦激光对拉曼斯托克斯激光进行逐级放大。
初步的演示实验获得了300 W的1120nm拉曼光纤激光输出;接着采用较大包层(400μm)的光纤，获得了580W的单横模线偏振拉曼光纤激光和1.3kW的近单模拉曼光纤激光输出。
结果发表于《光学快报》(Optics Letters)和《光学快讯》(Optics Express) [Opt. Lett. 39, 1933-1936 (2014); Opt. Express 22, (2014)]。
鉴于目前高功率掺镱光纤激光器均采用主振放大结构，新提出的光纤放大器结构可用于进一步提升拉曼光纤激光的输出功率。
初步的数值计算也表明，该技术方法有望在1～2μm范围内任意波长获得千瓦级激光输出。
该项研究得到了中国科学院百人计划、国家“863”计划、国家自然科学基金等项目的支持。
随着单级高速鼓风机的齿轮箱和高速叶轮及稀油站等部件试装运转实验的成功，现场人员无不欢欣鼓舞。
高功率光纤激光器研究现状分析
由复值的波动方程及边界条件可确定
阈值：
Gth
jm4n , N
N , Gth
模增益阈值：
g 01 gg
g11 gg
133.8
多模光纤
模式选择控制
多模光纤
模式转换法
基模光纤
复合导引光纤 光子晶体光纤 弯曲选模 泄漏选模
高阶模光纤
7
单模光纤大 模面积
多模光纤输 出单模
大模面积 基模
基模光纤
1.1 光纤的结构设计
纤芯折射率变化 包层折射率变化 折射率和掺杂分布变化 光子晶体结构
8
结构可精确调整， 具有特殊性质
1.1 光纤的结构设计
纤芯包层界面上的透射。
E%(rr ) exp
r jk
rr
gr
rr
增益光纤中光场的传播示意图
反射率与入射角、折射率差的关系
37
2.3 负折射率光纤
当增益能够补偿损耗的能量时，则泄漏模变成准导模
模场约束因子：f=96.2%或更小 增益越小，越小
全反射光纤： f=99%或更大
38
2.3 负折射率光纤
1 0.8 0.6 0.4 0.2
0 0
18
0.2
0.4
0.6
0.8
弯曲时半径 ( m )
LP01 LP02 LP11 LP12
1
1.2 模式选择控制
❖ 增益导引
激光光纤中的模式由折射率差和增益分布共同作用决定；
n n j / 2 g
V 2
d
2
2n0
n
j
2
g
N jG
传统激光光纤增益作用微乎其微，而大模场光纤，折射率差小到10－3～10－4, 增益0.1～ 1/cm，增益导引与折射率导引共同作用。
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2645 1142 617 401
517
5.12
542
2.11
600
1.03
400
1.00
-
1.1 光纤的结构设计
❖ 几种纤芯的折射率分布对模场性能的影响
权衡各因素的影响
混合型折射率分布
-
1.1 光纤的结构设计
❖ 包层折射率变化泄漏结构ຫໍສະໝຸດ 耦合泄漏结构三包层结构
光子晶体结构
-
1.1 光纤的结构设计
高功率光纤激光器研究现状分析
-
内容目录
1 主要技术路线 2 最新研究进展 3 目前面临困难
-
高功率光纤激光器要求
短光纤
高泵浦吸收率
高损伤阈值
高功率激光
高非线性阈值
包层小
优良导热率
全玻璃光纤
大模场光纤
高数值孔径
-
大模场激光光纤的研究
研究目标
增大模场面积 提高光束质量 提升输出功率 增加稳定特性
-
-
1.2 模式选择控制
❖ 增益导引
增益影响模场分布
无增益 : 5194 um2 有增益：3868 um2
-
1.2 模式选择控制
❖ 增益导引
增益分布与模式竞争能力
g0 g0r,,zg0z f r,
dPi z
dz
i
zg0zPi z
iz1fIr0,r,i,zr,/Isa2t rdrd
Γi(z)
模式与增益的重叠因子；
g0
小信号增益系数；
Pi(z)
第i个模式的功率；
φi(r,θ)
模式场分布；
I0(r,θ,z)
基模的饱和光强
-
1.2 模式选择控制
❖ 增益导引
增益分布与模式竞争能力
LP31模的增益是 基模的2.5倍
高阶模相对填充因子与光强的关系NA=0.05, d=50um, Γ=1
低饱和时， LP01的增益最大，饱和加深， 高阶模获得的增 益超过基模
复合导引光纤 光子晶体光纤 弯曲选模 泄漏选模
单模光纤 大模面积
多模光纤 输出单模
大模面积 基模
模式转换法 基模光纤
高阶模光纤
基模光纤
-
1.1 光纤的结构设计
纤芯折射率变化
包层折射率变化
折射率和掺杂分布变化
光子晶体结构
结构可精确调整， 具有特殊性质
-
1.1 光纤的结构设计
❖ 几种纤芯的折射率分布
锥形分布
二次曲线分布
-
1.1 光纤的结构设计
❖ 同参数下，不同折射率分布相应的模场弯曲变化
Normalized Intensity Normalized Intensity
Mode Intensity Profiles for Different Fibers (Unbend)
1
FM
0.9
SIF
CF
光纤激光器往往在弯曲情况下使用，最简单、最常用的选模方式是
弯曲损耗选模；
光纤弯曲后，导模变为泄漏模甚至辐射模，发生沿弯曲半径方向的
能量辐射, 引起高低阶模不同程度的弯曲损耗；
光纤芯径比较小时，选模效果明显；
2
LP01
1.8
LP02
LP11
1.6
LP12
耦合系数 ( dB/m )
1.4
1.2
弯曲损耗曲线
阶跃分布
平坦模分布
锥形分布
二次曲线分布
混合折射率分布
r p
nr
nmax
n
Rcore
-
1.1 光纤的结构设计
❖ 纤芯的折射率分布影响模场特性
高折射率区分布偏离轴心，有利于增加模场面积，但 模场的约束能力下降，弯曲引起的畸变严重；
四层泄漏形分布
平坦模分布
高折射率区越趋向中心，模场的抗弯性加强，弯曲畸 变少，但模面积偏小。
PF
0.8
Mode Intensity Profiles for Different Fibers (Bend)
1
0.9
0.8
0.7
0.7
0.6
0.6
0.5
0.5
0.4
0.4
0.3
0.3
0.2
0.2
0.1
0.1
0
-50
-40
-30
-20
-10
0
10
20
30
40
50
Radial Position (um)
0
-50
-40
-30
-20
-10
0
10
20
30
Radial Position (um)
模面积变化（d＝50um）
FM SIF CF PF
40
50
横截面折射率分布 不弯曲时模面积 (um2) 弯曲后模面积 (um2) 压缩率
平坦模分布（FM) 阶跃分布（SIF） 锥形分布 （CF） 二次曲线分布 (PF)
1
0.8
d＝30um, NA＝0.05
0.6
0.4
0.2
0
0
0.2
0.4
0.6
0.8
1
弯曲时半径 ( m )
-
1.2 模式选择控制
❖ 增益导引
激光光纤中的模式由折射率差和增益分布共同作用决定；
n n j / 2 g
V 2
d
2
2n0
n
j
2
g
N jG
传统激光光纤增益作用微乎其微，而大模场光纤，折射率差小到10 －3～10－4, 增益0.1～1/cm，增益导引与折射率导引共同作用。
❖ 纤芯、包层折射率都变化
要实现低折射率差，要 求d/Λ很小，孔容易坍 塌，纤芯掺细丝，降低 纤芯折射率
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1.1 光纤的结构设计
❖ 折射率和掺杂分布变化
复合结构
抑制型三包层结构
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1.1 光纤的结构设计
❖ 光纤结构的确定需权衡5个因素的影响
大基模场面积 弯曲模场的畸变程度 工作敏感性 高低阶模的损耗差 折射率差在可加工范围内
致力于大模场光纤的主要研究机构
美国能源部Sandia国家实验室 美国Aculight 公司 美国OFS实验室 美国罗切斯特大学(University of Rochester) 美国密执安大学(University of Michian) 德国耶拿大学(University of Jena) 德国IPG光子公司 英国南安普敦大学(University of Southampton) 芬兰Liekki公司 日本北海道大学(Hokkaido University)
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研究的总体思路
立足于光纤的结构设计，通过改变纤芯 或包层的折射率分布，降低等效折射率差， 并改进纤芯的掺杂分布，突出基模的增益优 势，达到增大模场面积、抑制高阶模的目的， 同时借助于外部的选模方式、模式转换等机 制，有效滤除高阶模，实现单模输出，并确 保系统稳定工作。
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1. 主要技术路线
光纤结构设计 多模光纤 模式选择控制 多模光纤
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1.1 光纤的结构设计
❖ 光子晶体光纤
调整空气孔间距、大小、填充率等参数，获得低损耗大模光纤
Aeff = 1417um2 Λ=20um, d /Λ=0.451, d1 /Λ=0.95, d2 /Λ=0.51, 高阶模约束损耗 >1dB/m, 弯曲半径： R=5cm
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1.2 模式选择控制
❖ 弯曲选模