大功率光纤激光器研究进展 - 学兔兔 www.bzfxw.com .pdf

毋圈俯 中文核心期刊 大功率光纤激光器研究进展 高林柱 ( 白城职业技术学院，吉林白城1 3 7 0 0 0 ) 摘要：对当前大功率光纤激光器的研究进展作对比分析，以期得出一些研究方向及方法的借鉴。以连续 波与脉冲光纤激光器作为区分标准，对于国内外的大功率光纤激光器报道中所提到的大模场面积光纤 激光器、离子掺杂方式、调Q 光纤激光器、锁模光纤激光器，以及锥形光纤的泵浦方式等做了相关介绍。 关键词：大功率；光纤激光器；进展；脉冲；连续波 中图分类号：T N 2 4 8 文献标识码：A 文章编号：1 0 0 2 5 5 6 1 ( 2 0 1 1 ) 0 9 0 0 2 2 - 0 3 R e s e a r c hp r o g r e s so fh i g hp o w e rf i b e rl a s e r G A 0L i n - z h u ( B a i c h e n gV o c a t i o n a la n dT e c h n i c a lC o l l e g e ，B a i c h e n gJ i l i n13 7 0 0 0 ，C h i n a ) A b s t r a c t ：B ym a k i n gac o m p a r a t i v ea n a l y s i sf o rc u r r e n th i g h - p o w e rf i b e rl a s e r , s o m eu s e f u lr e f e r e n c eo f d i r e c t i o n sa n dw a y sw a sg a i n e d T h r o u g hm a k i n gad i s t i n c t i o nb e t w e e nc o n t i n u o u sw a v ea n dp u l s ef i b e rl a s e r , t h eh i 曲- p o w e rf i b e rl a s e ra th o m ea n da b r o a dw a si n t r o d u c e d F o re x a m p l e ，l a r g em o d ea r e af i b e rl a s e r ，t h e w a y o fi o n sd o p e d ，Q - s w i t c hf i b e rl a s e r ，m o d el o c k i n gf i b e rl a s e ra n dt h ep u m p i n go fc o n i c a lf i b e r K e yw o r d s ：h i 【曲p o w e r ；f i b e rl a s e r ；p r o g r e s s ；p u l s e ；c o n t i n u o u sw a v e O 引言 目前大功率激光器的应用越来越广泛。其中尤以 大功率光纤激光器最为突出并且光纤激光器在加工 领域有取代传统的Y A G 、C O ：激光器的趋势。目前成 功商用化的大功率光纤激光器功率可达千瓦甚至万 瓦的数量级。光纤激光器有着传统激光器难以比拟的 巨大优势：输出光束质量好、体积小、无需冷却或是冷 却结构简单、能量转化效率高等，这大大降低了运行 成本，使其获得了飞速发展。近年来各种大功率光纤 激光器的研制工作取得了巨大成绩，按光纤激光器激 光输出可分为连续波激光器和脉冲激光器，我们以此 为据对近三年大功率激光器的研究进展做简单介绍。 1 连续波激光器功率提升研究进展。 从光纤激光器结构来看，提升其输出功率一般采 用几个方法：增加光纤有效截面积、提升光纤内的能 量密度、提升泵浦功率及其耦合效率。本节以此为区 分标准，介绍近年来国内外大功率光纤激光器的研究 进展。 收稿日期：2 0 1 1 0 4 - l l 。 作者简介：高林柱( 1 9 7 0 - ) 男网络中心主任副教授。从事光纤通信、 网络信息技术应用与管理方面的工作。 兜氢信氆书2 0 1 1 年第9 期 1 1 通过增加光纤纤芯面积有效提升激光的输出功率 对于普通的单模光纤如果简单的增加纤芯截面 积则会多模输出。要使纤芯截面积增加的同时又不改 变其单模输出特性，大模场面积光纤( L J U A ) 的概念被 提出而近年来大功率激光器很多基于L M A ，L M A 可 以通过单模激发或是合适的纤芯缠绕使单模激光在 多模光纤中传输【1 2 1 。但一般L M A 的稳定性有限。并且 其纤芯尺寸一般不能超过2 5 岬，这在很大程度上抵 消了该单模光纤技术的传统优势，也阻碍了大芯径光 纤激光器系统功率的继续提升。在大芯径光纤的研究 上已经有很多较新的方法I 瑚，但这些方法并不都适宜 于集成全光纤高功率系统。A l m a n t a sG a l v a n a u s k a s 等 人基于他们之前提出的手性耦合纤芯的光纤( C C C f i b e r ) 于2 0 0 8 年提出了一种激光器结构。 实验中所采用的掺镱C C C 光纤的持续稳定性不 依赖于模式的激发和光纤的缠绕情况。光纤之所以能 够在大纤芯上传输单模激光信号是因为在该光纤中 高阶模的损耗率大约在1 0 0 d B m 的数量级上，而基模 的损耗率还不到l d B m 。激光器最高输出功率至3 7 W ， 在1 0 6 6 n m 波长情况下的斜率效率为7 5 6 W 的激光 器阀值输出功率的大小完全取决于泵浦功率。实验 得到较高的斜率效率和较低的阀值表明L P 0 1 模的损 万方数据 鼯圃 耗较小。已证实在所测试的功率中。激光器的稳定性 以及单模特性均良好。 V F i l i p p o v 等人于2 0 0 9 年采用了锥形双包层光纤 结构作为高功率光纤激光器的增益介质 6 1 。该方式的 优势是：可以用能量密度较低的泵浦源将泵浦能量耦 合人光纤；可以将多模泵浦激光转换为稳定的单模激 光输出，而且进一步还可以增加泵浦光的吸收率。 中间纤芯掺稀土离子，内包层折射率嘞d ，泵浦从 内包层中将泵浦能量耦合入光纤。最外面包层的折射 率小于，泵浦能量从包层直径D l 的一端耦合人光 纤，在另外一端输出单模激光。光纤总长2 0 m ，前端包 层直径8 3 5 8 9 0 1 J J m ，纤芯直径6 5 1 x m ，数值孔径0 0 7 。 末端纤芯直径l l I x m 。为的是能够保证该锥形光纤中 有5 m 长的单模传输波导腔。激光传播路径随着泵浦 能量的传播。其与光纤轴的夹角越来越大。最后会穿 出内包层进入到更外面的包层甚至从光纤侧面射出。 对于光纤中泵浦与激光信号的传播以及与光纤的相 互作用情况文献中做了较为详尽的推导此处不再 介绍。 光纤末端为光滑平面。由于菲涅尔反射而具有 4 的反射率。光纤前端的反馈通过二分光镜至1 0 0 反射率的反射镜实现。用这种方法可以实现掺镱光纤 激光器超过6 0 0 W 的功率输出。且其光束质量较高 ( M 乞= 1 0 8 ) 。该实验的成功进行为低亮度二极管条作 为泵浦源的光纤激光器提供了可以借鉴的研究方向。 1 2 通过提升光纤内的能量密度来提升激光输出功率 提升单位体积激光能量值可以在端面积不变的 情况下输出更高的功率而增大能量密度的方法各 异。可以增加有源光纤中增益粒子的密度。采用多粒 子共掺等方法均可使光纤单位输出面积的功率得到 增加。从近年来大功率激光器相关方法的报道来看， 只通过改变光纤中掺杂离子的方法来实现功率提升 并不是一个研究的热点，相关的报道较少。 2 0 0 8 年。北京交通大学的张帆等人对光纤中钕镱 离子共掺做了较为详细的理论分析重点对小生境混 合遗传算法在掺离子光纤理论分析中的应用做了阐 述 7 1 。相比传统的遗传算法，小生境混合遗传算法可以 保持多个变量最优值的情况下对总的参量进行优化， 而传统的只能保持一个参量最优值。对于实际的光纤 激光器，与找全局变量一样在激光器中找到多个局 部变量的最优值是很有必要的。通过分析，最终钕镱 共掺光纤激光器的五个决定性的设计参数通过该遗 传算法得到优化。并且得到了三个最优化的设计参 高林柱：大功率光纤激光器研究进展 数。用激光器设计中的另外两个参量，结合已有的三 个变量。兼顾数学模型分析和物理实验。最高的斜率 效率可以达到8 0 1 。结果表明，对于钕离子和镱离子 所对应的输出波长8 0 8 n m 和9 4 0 n m 均等的泵入激光 功率并不是最优的解决方法。钕离子的泵浦功率应该 占到总泵浦功率的1 0 1 3 7 8 之间。同时，激光器谐振 腔输出端反射镜的反射率应随着泵浦功率的提升而 降低。 1 3 通过提升泵浦功率及其耦合效率来提升激光输出 功率 近年来在高功率光纤激光器泵浦方式的研究上 有较大进展。2 0 0 8 年S h u p e n gY i n 等人通过级联多级 光纤放大器，将光纤激光器输出的光进一步放大，使 得功率有很大幅度的提升阐。激光器谐振腔包括增益 光纤、一个7 x l 的端面泵浦连接器、一对光纤布喇格 光栅。用掺镱双包层光纤作为增益介质光纤，该光纤 纤芯直径2 0 1 J , m ( A = 0 0 6 ) ，内包层直径4 0 0 1 x m ( N A = 0 4 6 ) 。该掺镱光纤长度l O m ，在9 7 5 n m 处的吸收率为 1 7 d B m 。激光器谐振腔由一对布喇格光纤光栅构成。 7 1 的端面泵浦连接器中的光纤结构为纤芯直径 2 0 1 a , m ( N A = O 0 6 ) ，内包层直径4 0 0 1 J , m ( N A - - O 4 6 ) 。7 个 2 5 W 的二极管激光器分别从7 个端面耦合入连接器， 进而对掺杂光纤进行泵浦。三段掺镱光纤的长度分别 为l O m 、1 3 m 、1 4 5 m 。实验中所提及的所有二极管激光 器的波长公差为+ 3 n m ，光谱宽度大约4 n m 。 前端的谐振腔结构和后续的放大器都可以有效 地对输出激光的功率进行放大。最终该实验证明，基 于端面泵浦的该激光器结构可以输出3 0 0 7 W 的激光 信号，光一光转化效率为6 5 。 2 脉冲激光器功率提升研究进展 2 1 调Q 光纤激光器 调Q 光纤激光器是通过改变激光器谐振腔的Q 值来实现激光能量的积累与释放的，分为主去调Q 与 被动调Q 。对于产生高能量、短的持续时间的激光脉 冲。关键的技术难点在于制作开关时间短的Q 开关， 在近几年对大功率脉冲光纤激光器的报道中调Q 方 法实现大脉冲能量的方法并不常见。 掺铥的二氧化硅光纤激光器在2 “m 波长上的效 率和稳定性都是相当不错的。接近千瓦的连续波1 9 1 和 6 0 0 W 的单频单偏振【1 0 l 的2 恤m 波长已经在掺铥的二氧 化硅光纤激光器中实现功率输出。几乎所有的应用领 域都对该2 1 L m 波长激光器的要求都是高脉冲能量和 2 0 1 1 年第9 期兜龟信筏书 万方数据 骀固 高林柱：大功率光纤激光器研究进展 窄线宽。2 0 1 0 年，J i a n q i uX u 、L i nX u 和Y u l o n gT a n g 利 用三级放大器来获得更高的功率、更高的重复频率和 更短的脉冲持续时间。 种子源激光器为调Q 激光器。三级光纤放大器均 由二极管泵浦的掺铥光纤构成。种子源可以提供重复 频率5 0 k H z 的1 W 的平均功率输出。经过一、二、三级 放大器后激光功率分别变为1 5 W 、5 0 W 、2 0 0 W 。 2 2 锁模光纤激光器 相比调Q 光纤激光器锁模方式实现的脉冲输出 在能量和持续时间上都有较大优势。更容易满足各应 用领域对高脉冲峰值的要求因而近年来锁模方式的 光纤激光器成为一个研究的热点，相关的报道较多。 对于锁模光纤激光器只是简单的增加光纤长度 就可以增加单个脉冲的