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1、 高功率光纤激光器研究现状分析 内容目录 高功率光纤激光器要求 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 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 研究的总体思路 立足
2、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 1 主要技术路线 1 1光纤的结构设计 1 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 1 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 1 1
3、光纤的结构设计 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 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 1 1光纤的结构设计 1 1光纤的结构设计 要实现低折射率差 要求d 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 1 1光纤的结构设计 1 1光纤的结构设计 1 1光纤的结构设计 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 弯曲损耗曲线d
4、30um NA 0 05 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 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 1 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 3868um2 1 2模式选择控制 增益导引增益分布与模式竞争能力 i 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 i r 模式场分布 I0 r z 基模的饱和光强 1 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
5、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 1 1 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 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 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2100um2至3200um2 高阶模较低阶模的抗弯性强 Ref S RamachandranOpt Letters 31 12 1797 1799 LP07在Rbend 12 9 6 3 4
6、6cm时基本不变 现有技术途径的优缺点 内容目录 最新报道水平 最大的单模输出芯径 100umAculight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 6MWLiekki公司 80um芯径 2 5kW单模光纤激光器的实验数据 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 IPG光子公司 2 1100um芯径棒型光子晶体光纤 预放级1 2m 25um芯径 YDDF预放级2
7、 1 5m 40um芯径 PCF功放级 100um芯径 1 5mm包层 L 92cm 19个缺陷孔d 0 19 MOPA结构 Aculight公司 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 2泄漏通道的孔助导光型光纤 Proc ofSPIEVol 6453645316 1 645316 7 2007 2 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 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 2 3负折射
8、率光纤 100umCore 10 Nd dopedncore nClad nClad 0 35 ni 10 4 L 13cm M2 2 P 1 1mJ 光光效率30 100um光纤实验结果 2 3负折射率光纤 d增加 阈值降低 N增加 阈值降低 更大芯径光纤的实验结果 2 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 2 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 2
9、 3负折射率光纤 阈值 模增益阈值 无量纲数G与 N的关系 单模振荡条件 激光振荡阈值 由复值的波动方程及边界条件可确定 2 3负折射率光纤 按公式估算 100um芯径 n 0 01 gth 10 7 m 2 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 2 5高阶模谐振耦合泄漏光纤 Ref John M FiniOpt Express 13 2
10、5 10022 10033 2006 2 6高阶模光纤 2 7高功率倍频光纤 1062nm基频光1ns 0 6mJ9 6kHz重频M2of1 2520dB偏振消光比 MOFAwith3mDC 200 41 PZ Yb 2 7高功率倍频光纤 2 8高效率保偏大模场光纤 在传统保偏光纤的纤芯和包层之间加底座 铒镱双掺 光 光效率30 40 脉冲能量160uJ pulse 峰值功率300W 通过添加底座 使模式数大大减少 各国研究情况对比 内容目录 3 目前面临困难 3 目前面临困难 3 1弯曲损耗 模场畸变问题弱导光纤的弯曲损耗大 允许弯曲的半径偏大 弯曲只能滤除部分高阶模 3 目前面临困难 3
11、1弯曲损耗 模场畸变问题弯曲引起严重模场畸变 模面积压缩 模场偏移 模式耦合加剧等 使原本大模场的设计失去意义 86um芯径 弯曲后 模面积从2300um2下降到750um2 折射率差越小 芯径越大 畸变越严重 弯曲时的基模场 弯曲前的基模场 3 目前面临困难 3 1弯曲损耗 模场畸变问题弯曲敏感度因折射率分布而不同 耦合系数为普通光纤的几百 几千倍 基模较多能量被耦合消耗 3 目前面临困难 3 1弯曲损耗 模场畸变问题弯曲引起模式的竞争能力改变 与增益重叠最大的基模弯曲后可能小于高阶模的重叠因子 失去竞争优势 弯曲前 弯曲后 掺杂曲线 折射率分布 3 目前面临困难 3 1弯曲损耗 模场畸变问
12、题弯曲引起非线性效应阈值下降 大模场光纤弯曲效果更明显 SRS受弯曲影响 SPM受弯曲影响 3 目前面临困难 3 2增益导引问题考虑增益作用时的激光速率方程 模式的竞争能力由 因子描述 3 目前面临困难 3 2增益导引问题 因子沿传播方向变化 与光强 泵浦功率有关 损耗系数 耦合系数随光场也发生变化 弯曲畸变 模场压缩程度的描述困难 调Q脉冲激光器 需考虑增益恢复的等效荧光寿命 方程组变得复杂 很难合理求解 3 目前面临困难 3 3热效应问题kW级以上光纤激光器的纤芯温度通常达到1000C以上 石英光纤的热光系数6 3 10 6 热效应引起的折射率变化与大模场设计的折射率差在同一数量级 同样会破坏大模场的设计 热透镜可加强对模场的约束 也使光纤损伤的可能性增加 双端泵浦的光纤激光器沿轴向的温度分布 3 目前面临困难 3 4光纤输出模式的分析光纤波导内模式与光纤外模式的传播变化 包含高阶模的输出也可能获得较好的光束质量 各模式的比例调整 基模如何有效提取 光纤LP01 LP11各50 混合模输出的近场与远场分布 相位差 2 相位差0 3 目前面临困难 3 5模式控制新的技术理论缺乏经典电磁场理论 速率方程的唯象描述 两种理论如何有效结合 新的理论描述 半经典理论能否描述模式的特性 谢谢 此课件下载可自行编辑修改 供参考 感谢您的支持 我们努力做得更好
