高功率光纤激光器研究现状分析

1高功率光纤激光器研究现状分析2内容目录123主要技术路线最新研究进展目前面临困难3高损伤阈值优良导热率全玻璃光纤短光纤高泵浦吸收率高数值孔径高功率光纤激光器要求高非线性阈值高功率激光大模场光纤大模场光纤包层小4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5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(UniversityofRochester)•美国密执安大学(UniversityofMichian)•德国耶拿大学(UniversityofJena)•德国IPG光子公司•英国南安普敦大学(UniversityofSouthampton)•芬兰Liekki公司•日本北海道大学(HokkaidoUniversity)6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。71.主要技术路线模式选择控制多模光纤弯曲选模泄漏选模模式转换法基模光纤高阶模光纤基模光纤多模光纤输出单模光纤结构设计多模光纤复合导引光纤光子晶体光纤单模光纤大模面积大模面积基模81.1光纤的结构设计包层折射率变化纤芯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91.1光纤的结构设计几种纤芯的折射率分布混合折射率分布maxpcorernrnnR平坦模分布锥形分布二次曲线分布阶跃分布101.1光纤的结构设计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；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平坦模分布纤芯的折射率分布影响模场特性四层泄漏形分布111.1光纤的结构设计-50-40-30-20-100102030405000.10.20.30.40.50.60.70.80.91RadialPosition(um)NormalizedIntensityModeIntensityProfilesforDifferentFibers(Unbend)FMSIFCFPF-50-40-30-20-10010203040505000.10.20.30.40.50.60.70.80.91RadialPosition(um)NormalizedIntensityModeIntensityProfilesforDifferentFibers(Bend)FMSIFCFPF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)26455175.12阶跃分布（SIF）11425422.11锥形分布（CF）6176001.03二次曲线分布(PF)4014001.00模面积变化（d＝50um）同参数下，不同折射率分布相应的模场弯曲变化121.1光纤的结构设计权衡各因素的影响混合型折射率分布几种纤芯的折射率分布对模场性能的影响131.1光纤的结构设计三包层结构耦合泄漏结构光子晶体结构包层折射率变化泄漏结构141.1光纤的结构设计要实现低折射率差，要求d/Λ很小，孔容易坍塌，纤芯掺细丝，降低纤芯折射率纤芯、包层折射率都变化151.1光纤的结构设计抑制型三包层结构复合结构折射率和掺杂分布变化161.1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171.1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=1417um2Λ=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=5cm181.2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；弯曲损耗曲线d＝30um,NA＝0.0500.20.40.60.8100.20.40.60.811.21.41.61.82LP01LP02LP11LP12耦合系数(dB/m)弯曲时半径(m)191.2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；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。220/222nnjgdVnnjgNjG201.2模式选择控制增益导引增益影响模场分布无增益:5194um2有增益：3868um2211.2模式选择控制增益导引增益分布与模式竞争能力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0000,,,iiiggrzgzfrdPzzgzPzdz20,,1,,/iisatfrrzrdrdIrzI221.2模式选择控制增益导引增益分布与模式竞争能力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=1231.2模式选择控制增益导引增益分布与模式竞争能力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60％的填充最佳241.2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251.3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2100um2至3200um2；高阶模较低阶模的抗弯性强。Ref.S.RamachandranOpt.Letters.31(12):1797-1799LP07在Rbend=12.9、6.3、4.6cm时基本不变26现有技术途径的优缺点大模面积实现方法缺点优点模式转换高阶模光纤模面积很大,稳定性好对掺杂工艺要求高，需高掺杂转换效率高，全玻璃化无严格导模，高阶模损耗小泵浦光吸收率低，加工要精确模式竞争不稳，一致性要求高增益导引光纤短棒型孔助导引型谐振泄漏型多芯结构型光子晶体光纤大基模场设计模面积大,稳定性好怕弯，热效应管理困难结构简单，稳定性好折射率差可大可小,稳定功率提升空间大,光束质量好受限于光纤光栅性能，加工难，会激励不必要模式弯曲损耗选模方法简单，效果明显泄漏选模选模控制功率流失，引起场畸变高低阶模的损耗差大加工困难，选模有限27内容目录2最新研究进展13主要技术路线目前面临困难2.1100um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2.8高效率保偏大模场光纤2.5高阶模谐振耦合泄漏光纤2.6高阶模光纤2.4螺旋形大模光纤2.7高功率倍频光纤28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•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292.5kW单模光纤激光器的实验数据输出功率(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，M21.4；•最大输出功率2.53kW；•1.5kW以下，斜率75％IPG光子公司302.1100um芯径棒型光子晶体光纤预放级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=0.19MOPA结构Aculight公司312.1100um芯径棒型光子晶体光纤M2＝1.3,Epulse=4.3mJPpeak=4.5MW光光效率=60%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。不同芯径光纤的实验结果对比70um芯径光纤的实验结果322.2泄漏通道的孔助导光型光纤Aeff＝3160um2,M2～1.3,d/Λ＝0.82,Rbend=8.5cmRef.LiangDongOpt.Express.14(24):11512-11519，2006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。332.2泄漏通道的孔助导光型光纤Proc.ofSPIEVol.6453645316-1-645316-7，2007d=50um,Aeff＝1400um2,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/m342.3负折射率光纤Ref.A.E.Siegman,J。Appl.Phy.Lett.2006，89:251101依靠增益约束导光，实验上验证Siegman增益理论120nnn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352.3负折射率光纤100umCore，10%Nd-dopedncore-nClad=-nClad×0.35%，ni～10－4，L＝13cm，M22，P≈1.1mJ，光光效率30％100um光纤实验结果362.3负折射率光纤d(um)1000.14060.35064%－10%4%0.01981.5±10%2000.01760.044665%－75%75%0.01781.2±10%3000.00520.013288%－91%90%0.00651.84000.00220.005695%－96%95%0.00251.811ggg01ggg2R1Roscthg2Md增加，阈值降低；ΔN增加，阈值降低更大芯径光纤的实验结果01ggg01模阈值,11ggg11模阈值,oscthg11模阈值,2R反射镜反射率,1R输出镜反射率372.3负折射率光纤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。反射率与入射角、折射率差的关系增益光纤中光场的传播示意图实验分析()expErjkrgr382.3负折射率光纤模场约束因子：f=96.2%或更小增益越小，越小全反射光纤：f=99%或更大当增益能够补偿损耗的能量时，则泄漏模变成准导模392.3负折射率光纤201233021123101301133.822862.2,222.54gggggggggnnagnnagg4,,mnththjGGNN阈值：模增益阈值：无量纲数G与ΔN的关系0111oscosctoathgggggggg单模振荡条件：121ln2oscthggRRl激光振荡阈值：由复值的波动方程及边界条件可确定402.3负折射率光纤按公式估算，100um芯径，Δn=-0.01,gth≈10.7/m412.4螺旋形大模光纤Ref.C.H.Liu1,G.Q.Chang,CLEO2007,CTuBB3Chirally-CoupledCorefiber——美国密西根大学单模截止V参数大于2.405通过相速度匹配，高阶中央芯模耦合到螺旋芯中，以高损耗泄漏。30～50umCoreNA＝0.065～0.072modmod2/2/11helixsideecentralehelixnR422