大功率光纤激光器关键技术与实现

发表时间:2019/4/22   来源:《电力设备》2018年第31期   作者:张燚1 王洪义1
[导读] 摘要:在讨论高功率光纤激光器工作原理的基础上,分析了高功率光纤激光器的关键技术和实现方法,综述了高功率光纤激光器研究的最新进展。
        (中国航发 沈阳黎明航空发动机有限责任公司  辽宁沈阳  110043)
        摘要:在讨论高功率光纤激光器工作原理的基础上,分析了高功率光纤激光器的关键技术和实现方法,综述了高功率光纤激光器研究的最新进展。指出高功率光纤激光器的关键技术是包层泵技术、光纤融合技术和谐振腔制备技术。采用并行侧向泵浦技术, 制备复合型的光纤光栅谐振腔是解决上述关键技术的有效手段。此外,开发新型结构的大功率光纤激光器是进一步提高光纤激光器输出功率、提高光纤激光器性能的必然趋势。
        关键词: 光纤激光器; 高功率; 光子晶体;
        0引 言
        大功率光纤激光器是一种新型光源。在相同的输出光功率下,光纤激光器在光束质量、光传输特性、可靠性和尺寸等方面具有很大的优势。光纤激光器的增益介质较长,可以很容易地扩展增益介质,使抽运光完全被吸收。该特性使光纤激光器能够在低泵功率下运行,保证了优良的光束质量和较高的转换效率。光纤密集的光纤使得光纤激光器的光功率密度非常高,光纤激光器具有较大的表面体积比,其工作材料的热负荷较小,具有良好的散热特性。目前,大功率光纤激光器的发展和实践技术已成为激光技术领域的热点,受到了众多研究者和行业专家的广泛关注。论述了高功率光纤激光器的工作原理和关键技术,并对该领域的最新研究进展进行了综述。
        1工作原理
        与其他激光器一样,高功率光纤激光器也由泵浦源、增益介质和光学谐振器组成,不同之处在于增益介质通常是双包层光纤。双包层光纤是一种具有特殊结构的光纤。它在传统光纤上增加了一层内包层。双包层光纤的核心通常掺杂稀土离子,是单模激光波导。内包层围绕着光纤芯的核心,光纤芯是多模泵的传输波导。横向尺寸和数值孔径都很大,泵光可以有效地耦合到增益光纤上,以提高抽运光的效率。在包层光传输过程中,包层多次穿过光纤芯,被芯中的稀土离子吸收,产生单模激光器。这种光纤结构增加了抽运长度,大大提高了抽运效率,使光纤激光器的输出功率增加了几个数量级。
        2关键技术
        2.1包层泵技术
        传统的光纤激光器采用普通单模光纤作为增益介质,耦合效率非常低。高功率光纤激光器是很难得到的。包层泵技术的出现大大提高了泵浦光的耦合效率,使光纤激光器摆脱了低功率、应用价值高的困境,促进了高功率光纤激光器的发展。复包泵技术是由双包层光纤实现的。泵光的吸收效率与内包层的几何形状和包层芯的位置有关。典型的内包层结构有方形、矩形、圆形、D、梅花和偏心结构。通过射线追踪法计算了不同内层包层的吸收特性。结果表明,同心圆结构的吸收效率最低,而非圆内包层结构对泵浦光具有较高的吸收效率,理想条件可以达到100%。
        2.2光纤融合技术
        高功率光纤激光器的另一关键技术是有效地将泵浦的光功率输出与增益光纤耦合。为了获得数百瓦甚至数千瓦的光纤激光器,需要更高输出功率(通常是半导体激光器阵列)的泵浦源。将半导体激光器阵列输出的几千瓦的激光器组合成双包层增益光纤是非常困难的,这很难与低耦合效率耦合。因此,寻找一种新的耦合技术来将光注入到光纤中是一项重要的工作。利用分支光纤将多个激光二极管的光输出耦合到增益光纤是最佳的解决方案,是最佳的解决方案。即每个激光二极管的输出光来自多模光纤,多模光纤融合成光纤,光纤模块采用光纤采集融合技术。这样,单光纤的输出能量可以达到100瓦,解决了半导体激光阵列集成模块的散热问题。作为分支光纤模块的输入端口作为泵入双包层增益光纤的光,激光二极管的输出光可以几乎不破坏地耦合到增益光纤的内包层上,有效地提高了泵的效率(如图2-1所示)。
       
        图2-1  光纤激光器透镜组耦合断面泵浦
        2.3谐振腔的制造技术
        目前,大功率光纤激光器主要有两个谐振腔。一种是用一面双色镜形成共振器。该方法实现了泵浦光与光纤激光器的耦合。封装带来了很大的困难,不利于光纤激光器的应用和商业化;另一种是利用光纤光栅作为谐振腔。光纤光栅是一种低损耗器件,具有很好的波长选择特性。光纤光栅的使用简化了激光器的结构,提高了激光器的信噪比和可靠性,缩短了线宽,提高了光束质量,波长调谐可以通过应力调整来实现。此外,光纤布拉格光栅作为谐振器集成泵源的尾巴纤维获得有机纤维,避免造成的损失激光反馈两个颜色的镜子和透镜组,从而降低光纤激光器的阈值和斜率效率的提高输出激光。因此,将光纤布拉格光栅作为谐振腔,不仅使光纤激光器的结构简单紧凑,而且极大地提高了泵浦光的耦合效率(高达90%),具有一定的实用性。
        3研究进展
        3.1并联泵浦大功率光纤激光器
        图3-1为平行侧向泵浦大功率光纤激光器的结构示意图。该结构由双侧泵抽运,多二极管二极管输出的泵光通过多模耦合器耦合到增益光纤的内包层中。该结构具有突出的优点:①双端泵设计,吸收效率高;②各泵源功率不高,保证整个系统可靠性高、稳定性高;③采用光纤融合技术,泵浦功率可与增益光纤几乎无损耗耦合,大大提高泵浦光。耦合效应率;④可以方便地级联得到更高的功率光纤激光器。引入的所有千瓦级光纤激光器都是采用这种并联泵结构实现的。
       
        图3-1 并行侧向泵浦的高功率光纤激光器
        3.2增益介质为光子晶体光纤高功率光纤激光器
        光子晶体光纤又名微结构光纤或多孔光纤,它通过包层中沿轴向排列的微小空气孔对光进行约束,从而实现光轴独特的波导结构,使得光子晶体光纤与常规光纤相比具有许多无可比拟的传输特性。光子晶体光纤的导光原理为PCF导光机理可以分为两类:全内反射型和光子带隙型。
        全内反射型 PCF导光原理(石英玻璃)大于周期性包层折射率(空气),从而使光能够在这种结构的 PCF导光机理依然是全内反射 ,如图3-2a所示。这是因为空芯PCF中点小孔比传导波还要长的缘故。
        光子带隙型 PCF导光机理,理论上求解光波在光子晶体中的本征方程立刻导出实芯和空芯PCF的传导条件,即光子带隙导光理论。在空芯PCF中形成周期性的缺陷是空气,空气芯折射率比包层石英玻璃在空芯低,但仍能保证光不折射出去 ,这是因为包层中的小孔点阵构成光子晶体。当小孔间距和小孔直径满足一定条件时,其光子能隙范围内就能阻止相应光传播 ,光被限制在中心空芯之内传输如图3-2b所示,这种 PCF可传输 99%以上的光能 ,而空间光衰减极低 ,光纤衰减只1/2~1/4。
       
        a全内反射型光子晶体光纤    b光子带隙型光子晶体光纤
        图3-2  结构及导光示意图
        结论
        目前,高功率光纤激光器已成为世界上许多国家的热点之一。其突出的独特优势使其在各个领域得到了广泛的应用。为了开发高性能、高输出功率和实用的高功率光纤激光器,我们必须解决以下关键技术。①双包层增益光纤的制备工艺,采用矩形或梅花形内包层结构可以有效地提高泵光的吸光度,提高泵效率。②泵浦灯的耦合技术,利用光纤融合技术制备树形多模耦合器是较好的解决方案。③制备合适的光学谐振器。
        参考文献:
        [1] 吕福云,樊亚仙,王宏杰,等. 高斜率效率615W双包层掺Yb3光纤激光器. 中国激光 第4期 胡贵军,等: 高功率光纤激光器研究
        [2] 黄榜才,苏红新,宁鼎,等.窄线宽高效率的全光纤Yb激光器
        [3] A lvarez 2Chavez JA, O fferhaus H L, N ilsson J, et al. H igh energy, h igh pow er ytterbium 2doped Q 2sw itched fiber laser[J].
        [ 作者简介:第一作者:张燚(1977),男,辽宁省沈阳市,工程师,主要研究方向激光设备及特种设备,包括设备的技术应用和管理]
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