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。
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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％
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
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1.1 光纤的结构设计
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
0.6 0.5 0.4 0.3 0.2 0.1
0 -50
-40
-30
-20
-10
0
10
20
30
40
50
0 -50
-40
-30
-20
-10
0
10
20
30
40
50
Radial Position (um)
Radial Position (um)
模面积变化（d＝50um）
横截面折射率分布 不弯曲时模面积 (um2) 弯曲后模面积 (um2)
大基模 场设计
光 子 晶 体 光 纤
多芯结构型
弯曲损耗选模 选模控制 泄漏选模 模式转换 高阶模光纤
方法简单，效果明显
高低阶模的损耗差大 模面积很大,稳定性好
内容目录
主要技术路线 2.1 100um 芯径棒型光子晶体光纤 2.2 泄漏通道的孔助导光型光纤 2.3 负折射率光纤 2 最新研究进展
1
2.4 螺旋形大模光纤 2.5 高阶模谐振耦合泄漏光纤
1 0.9 0.8 0.7 FM SIF CF PF 1 0.9 0.8 0.7 FM SIF CF PF
Mode Intensity Profiles for Different Fibers (Bend)
Normalized Intensity
Normalized Intensity
0.6 0.5 0.4 0.3 0.2 0.1
2
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
28
Aculight
2.5 kW 单模光纤激光器的实验数据

IPG光子公司
输出功率 ( dB/m )




泵浦功率 ( W)
光纤长15m，风冷却； 两侧面泵浦，2kW； 光纤温度最高值 1200C； 输出2kW时，M2<1.4； 最大输出功率2.53kW； 1.5kW以下，斜率75％
35
2.3 负折射率光纤
更大芯径光纤的实验结果
d(um)
100
01 g gg
g 11 gg
0.3506
R2
4%－10% 65%－75% 88%－91% 95%－96%
R1
4%
osc g th
M2
1.5±10%
0.1406
0.0198
200
300 400
0.0176
0.0052 0.0022
0.0446


耦合系数 ( dB/m )
1.6 1.4 1.2 1 0.8 0.6 0.4 0.2 0 0 0.2 0.4 0.6 0.8
弯曲损耗曲线 d＝30um, NA＝0.05
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 2 2 d V 2 n n j g 0 2 N jG
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
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, 高阶模约束损耗 >1dB/m, 弯曲半径： R=5cm
d2 /Λ=0.51, 17
1.2 模式选择控制


弯曲选模
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 1.8 LP01 LP02 LP11 LP12
g0 g0 r , , z g0 z f r , dPi z i z g0 z Pi z dz

i z
1 I 0 r , , z / I sat
f r , i r ,

实验分析

根据波动理论，负折射率导引光纤里总可以存在泄漏模式， 损失的能量主要是在纤芯包层界面上的透射。
29
2.1 100um芯径棒型光子晶体光纤

Aculight 公司
MOPA结构
预放级 1: 2m, 25um 芯径，YDDF 预放级 2: 1.5m, 40um 芯径，PCF 功放级: 100um 芯径，1.5mm 包层, L=92cm ，19 个缺陷孔 d/Λ=0.19
30
2. 1 100um芯径棒型光子晶体光纤
几种纤芯的折射率分布
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 n r nmax n R core
p
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；
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 ,
平坦模分布（FM) 阶跃分布（SIF） 锥形分布 （CF） 二次曲线分布 (PF) 2645 1142 617 401 517 542 600 400
压缩率
5.12 2.11 1.03 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
高功率光纤激光器研究现状分析
1
内容目录
1
2
3
主要技术路线
最新研究进展
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
增大模场面积 提高光束质量 研究目标 提升输出功率
增加稳定特性
4
致力于大模场光纤的主要研究机构
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
22
1.2 模式选择控制


增益导引
增益分布与模式竞争能力
60％的填充最佳
50um芯径
100um芯径
阶跃光纤在不同掺杂下的相对增益系数与光强的关系
23
1.2 模式选择控制


增益导引
增益分布与模式竞争能力
不同掺杂下的功率分配 24
25
现有技术途径的优缺点
大模面积实现方法
增益导引光纤
短棒型 孔助导引型 谐振泄漏型
优点
模面积大,稳定性好 转换效率高，全玻璃化 结构简单，稳定性好 折射率差可大可小,稳定 功率提升空间大, 光束质量好
缺点
对掺杂工艺要求高，需高掺杂 怕弯，热效应管理困难 无严格导模，高阶模损耗小 泵浦光吸收率低，加工要精确 模式竞争不稳，一致性要求高 功率流失，引起场畸变 加工困难，选模有限 受限于光纤光栅性能，加工难， 会激励不必要模式 26
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
Proc. of SPIE Vol. 6453 645316-1-645316-7，2007
33
2.3 负折射率光纤
依靠增益约束导光，实验上验证Siegman增益理论
n n1 n2 0
光纤结构设计 多模光纤
单模光纤 大模面积
光子晶体光纤
弯曲选模 模式选择控制 多模光纤 泄漏选模 多模光纤 输出单模
大模面积 基模
模式转换法基模光纤源自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

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。

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
Mode Intensity Profiles for Different Fibers (Unbend)
目前面临困难 2.6 高阶模光纤
3
2.7 高功率倍频光纤
2.8 高效率保偏大模场光纤
27
最新报道水平
最大的单模输出芯径：100um
公司，4.5MW 最大有效模面积：4500um2 耶拿大学， CW输出320W 最高光纤激光功率 IPG 光子公司 CW单模输出：2.5kW, CW多模输出：36kW 最高脉冲峰值功率 >6MW Liekki公司, 80um芯径
1.3 模式转换


通过模式耦合，实现转换
模场主要以面积较大的高阶模形式存在，模面积达到2100 um2至 3200 um2；

高阶模较低阶模的抗弯性强。
LP07在 Rbend=12.9、6.3、4.6cm 时基本不变
Ref. S. Ramachandran Opt. Letters. 31(12):1797-1799
70um芯径光纤的实验结果
M2＝1.3,
Epulse= 4.3mJ Ppeak = 4.5M W
光光效率=60%
不同芯径光纤的实验结果对比
缺点：怕弯；进一步增大芯径，波导 约束失去意义，过渡到普通的固体激 光器，面临严重热效应问题。
31
2.2 泄漏通道的孔助导光型光纤
Aeff ＝ 3160 um2 , M2～ 1.3, d /Λ＝ 0.82, Rbend=8.5cm
0.0132 0.0056
75%
90% 95%
0.0178
0.0065 0.0025
1.2±10%
<1.8 <1.8
01 11 osc g gg 01模阈值, g gg 11模阈值, g th 11模阈值, R2 反射镜反射率, R1 输出镜反射率
d增加，阈值降低；ΔN增加，阈值降低
36
2.3 负折射率光纤