高功率光纤激光器研究现状分析

rdrd
Γi(z) g0 Pi(z) φi(r,θ) I0(r,θ,z)
模式与增益的重叠因子； 小信号增益系数； 第i个模式的功率； 模式场分布； 基模的饱和光强
21
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
❖ 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
14
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
15
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
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
来自百度文库
2645 1142 617 401
517
5.12
542
2.11
600
1.03
400
1.00
11
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
12
1.1 光纤的结构设计
❖ 包层折射率变化
泄漏结构
耦合泄漏结构
三包层结构
光子晶体结构
13
1.1 光纤的结构设计
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)
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)
16
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
17
1.2 模式选择控制
❖ 弯曲选模
CF
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)
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
光纤结构设计 多模光纤 模式选择控制 多模光纤
高功率光纤激光器研究现状分析
1
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
2
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
3
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
4
弯曲损耗曲线
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 )
18
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。
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 g0 r,, z g0 z f r,
dPi z
dz
i
z
g0
z
Pi
z
i
z
f r, i r, 2 1 I0 r, , z / Isat
锥形分布
二次曲线分布
10
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
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
n
r
nmax
n
Rcore
9
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。
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
7
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
8
1.1 光纤的结构设计
❖ 几种纤芯的折射率分布