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。
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
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
Proc. of SPI3E3 Vol. 6453 645316-1-645316-7，2007
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
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,3J4。Appl. Phy. Lett. 2006，89: 251101
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
11
弯曲后模面积 (um2)
517 542 600 400
压缩率
5.12 2.11 1.03 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
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
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 优良导热率
高功率激光
高非线性阈值
全玻璃光纤
大大模模场场光光纤纤
3
包层小 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
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；
弯曲损耗曲线 d＝30um, NA＝0.05
耦合系数 ( dB/m )
2 1.8 1.6 1.4 1.2
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
平坦模分布（FM) 阶跃分布（SIF） 锥形分布 （CF） 二次曲线分布 (PF)
不弯曲时模面积 (um2)
2645 1142 617 401
现有技术途径的优缺点
大模面积实现方法
优点
增益导引光纤
模面积大,稳定性好
大基模场 设计
短棒型 光
子 孔助导引型 晶
体 谐振泄漏型 光
纤 多芯结构型
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
选模控制
弯曲损耗选模 泄漏选模
方法简单，效果明显 高低阶模的损耗差大
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)
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
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
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％
35
2.3 负折射率光纤
更大芯径光纤的实验结果
d(um)
g 01 gg
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 Dong32Opt. Express. 14(24):11512-11519，2006
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
• 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
28
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％
M2＝1.3,
Epulse= 4.3mJ Ppeak = 4.5M W 光光效率=60%
70um芯径光纤的实验结果
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
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
4
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)
24
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. Ramac25handran Opt. Letters. 31(12):1797-1799
❖ 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 p
nr
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。
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
17
d2 /Λ=0.51,
1.2 模式选择控制
❖ 弯曲选模
❖ 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
95%－96%
95%
0.0025
<1.8
g 01 gg
01模阈值,
g 11 gg
11模阈值,
g osc th
11模阈值,
d增加，阈值降低；ΔN增加，阈值降低
R2 反射镜反射率,
R1 输出镜反射率
36
2.3 负折射率光纤
❖ 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
2.2 泄漏通道的孔助导光型光纤
22.3 负折射最率新光纤研究进展
2.4 螺旋形大模光纤
2.5 高阶模谐振耦合泄漏光纤
23.6 高阶模目光前纤 面临困难

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 • Aculight 公司，4.5MW
• 最大有效模面积：4500um2 • 耶拿大学， CW输出320W
模式转换 高阶模光纤
模面积很大,稳定性好
26
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
内容目录
1
2.1
100um主芯要径棒技型术光子路晶线体光纤
100
0.1406
200
0.0176
g 11 gg
0.3506 0.0446
R2
4%－10% 65%－75%
R1
4% 75%
g osc th
0.0198 0.0178
M2
1.5±10% 1.2±10%
300
0.0052
0.0132
88%－91%
90%
0.0065
<1.8
400
0.0022
0.0056