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从 LMA 光纤到偏振激光创新与应用拓展看光纤激光器技术新进展

芯径为 20 - 30 微米且数值孔径约为 0.06 的光纤,凭借其通过优先模式激发或卷绕诱导的高阶模损耗来提供良好光束质量的能力,已成为高功率激光器和放大器设备的行业标准。

添加熊猫型(PANDA-type)应力元件来制造保偏大模场面积(PM-LMA)光纤,拓展了光纤技术的应用空间,使得在连续波(CW)和脉冲模式下的高功率线偏振光纤放大器成为可能。

具有大尺寸包层(400 微米)以及高包层数值孔径(0.46)的光纤与高亮度泵浦源相结合的情况,在众多高功率成果中都有所体现。

更确切地说,它们有助于将单频光源放大至高功率范围(数百瓦),因此是相干光束合成以及光纤阵列锁相实验的潜在构建模块。

大模场面积(LMA)光纤技术成熟的一个标志是,带有与大模场面积光纤兼容的光纤尾纤的标准支撑组件(包括多模泵浦合束器,其也可用作信号复用器)已可获取。

这些组件配备的输入光纤与商业高功率二极管上的行业标准尾纤相兼容。例如,由合束器输出端的与大模场面积光纤兼容的 20/400 双包层光纤(DCF)以及输入端的六根 200/220、数值孔径为 0.22 的泵浦传输光纤所构成的(6 + 1)合 1 设计,已可在市面上购得。

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图1:200 瓦大模场面积单片式放大器示意图


此外,与泵浦合束器相兼容的高亮度、光纤耦合泵浦二极管如今已具备工业级可靠性,可在市面上买到。高亮度泵浦源和高功率泵浦合束器方面的这些进步,使得图 1所示的高功率单片式设计得以实现。

该系统的实验结果展示在图2 中,这些结果证明了这些高功率大模场面积单片式放大器可应用于连续波输出功率大于 200 瓦的情况。

尽管该功率水平远低于宽线宽光纤激光器和放大器所达到的功率,但这些大模场面积器件适用于放大具有合适相干长度的单频输入信号,以便后续能进一步进行光束合成,使其达到多千瓦量级。

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图2:来自安装在 19 英寸机架上的大模场面积单片式放大器(右图)的放大信号功率随耦合泵浦功率变化的关系(左图)


这些大模场面积(LMA)光纤的保偏(PM)版本亦已被验证可呈现卓越的斜率效率,并能在泵浦功率高于 400 瓦的受限条件下于高功率状态运行。

事实上,Nufern 公司的科研人员已将保偏大模场面积光纤理念与优化的线圈形态相融合,从而构建出一种别具一格的线偏振光纤激光器,其示意如图 15 所示。在制备偏振光纤激光器的其他方法中,不可避免地会涉及外部组件或自由空间组件,或者至少需要在谐振腔内增添额外的偏振部件。

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图3:Nufern 公司利用卷绕诱导偏振效应制造线偏振光纤激光器的专有技术,消除了对外部偏振元件或腔内额外元件的需求


仅通过对光纤与线圈的组合予以优化,借助两种偏振态各自的弯曲诱导衰减差异,便可构建高功率偏振光纤激光器。

已达成高于 95% 的卓越偏振消光比,同时具备衍射极限的光束质量,且光栅稳定线宽约为 0.1 纳米。关键在于,输出功率仅受限于可获取的泵浦功率,实际上,据预估此光纤设计的最大连续波(CW)输出功率将达约 2 千瓦。

大模场面积光纤对脉冲光纤激光技术亦产生了深远影响,当前脉冲能量于多模光束质量下已趋近 100 毫焦,于单模下约为 4 毫焦。

于众多应用场景中,诸如标记、微加工以及从燃油喷射器至涡轮叶片等部件的钻孔作业,均需高峰值功率与短脉冲持续时间(纳秒级)以及衍射极限光束质量相结合。


从 LMA 光纤到偏振激光创新与应用拓展看光纤激光器技术新进展


军事应用涵盖目标指示与激光雷达,激光雷达亦为一持续扩张的商业市场,其应用范畴包含车辆导航、机器人 / 视觉系统、计量以及测量等领域。

高平均功率(超数百瓦)、优异的光束质量以及偏振输出的组合特性已引发固体激光器(DPSSL)领域的高度关注。

于连续波或脉冲式的钇铝石榴石(YAG)/ 钒酸盐激光器中,诸如热透镜等基本问题将谐振腔设计逼至极限,致使此类性能指标极难达成。

此外,单片组件所具备的灵活性,让在光纤设备中连接光放大器级变得较为简便,这为制造高度灵活的设备创造了可能。这类设备有望产生脉冲持续时间从亚纳秒到连续波(CW)的各种波形,且脉冲能量可达毫焦范围。


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