高功率光纖激光器研究現狀分析

1、高功率光纖激光器研究現狀分析高功率光纖激光器研究現狀分析ppt內容目錄內容目錄123主要技術路線主要技術路線 最新研究進展最新研究進展目前面臨困難目前面臨困難ppt高損傷閾值高損傷閾值優(yōu)良導熱率優(yōu)良導熱率全玻璃光纖全玻璃光纖短光纖短光纖高泵浦吸收率高泵浦吸收率高數值孔徑高數值孔徑高功率光纖激光器要求高功率光纖激光器要求高非線性閾值高非線性閾值高功率激光高功率激光大模場光纖大模場光纖大模場光纖大模場光纖包層小包層小ppt大模場激光光纖的研究大模場激光光纖的研究研究目標研究目標增大模場面積增大模場面積 提高光束質量提高光束質量提升輸出功率提升輸出功率增加穩(wěn)定特性增加穩(wěn)定特性ppt致力于大模場光纖的

2、主要研究機構致力于大模場光纖的主要研究機構l美國能源部美國能源部Sandia國家實驗室國家實驗室l美國美國Aculight 公司公司l美國美國OFS實驗室實驗室l美國羅切斯特大學美國羅切斯特大學(University of Rochester)l美國密執(zhí)安大學美國密執(zhí)安大學(University of Michian)l德國耶拿大學德國耶拿大學(University of Jena)l德國德國IPG光子公司光子公司l英國南安普敦大學英國南安普敦大學(University of Southampton)l芬蘭芬蘭Liekki公司公司l日本北海道大學日本北海道大學(Hokkaido Univers

3、ity)ppt研究的總體思路研究的總體思路 立足于光纖的結構設計，通過改變纖芯立足于光纖的結構設計，通過改變纖芯或包層的折射率分布，降低等效折射率差，或包層的折射率分布，降低等效折射率差，并改進纖芯的摻雜分布，突出基模的增益優(yōu)并改進纖芯的摻雜分布，突出基模的增益優(yōu)勢，達到增大模場面積、抑制高階模的目的，勢，達到增大模場面積、抑制高階模的目的，同時借助于外部的選模方式、模式轉換等機同時借助于外部的選模方式、模式轉換等機制，有效濾除高階模，實現單模輸出，并確制，有效濾除高階模，實現單模輸出，并確保系統(tǒng)穩(wěn)定工作。保系統(tǒng)穩(wěn)定工作。ppt1. 1. 主要技術路線主要技術路線模式選擇控制多模光纖彎曲選模泄

4、漏選模模式轉換法基模光纖高階模光纖基模光纖多模光纖輸出單模光纖結構設計多模光纖復合導引光纖光子晶體光纖單模光纖大模面積大模面積 基模ppt 1.11.1 光纖的結構設計光纖的結構設計包層折射率變化包層折射率變化纖芯折射率變化纖芯折射率變化折射率和摻雜分布變化折射率和摻雜分布變化光子晶體結構光子晶體結構結構可精確調整，結構可精確調整，具有特殊性質具有特殊性質ppt1.1 1.1 光纖的結構設計光纖的結構設計v 幾種纖芯的折射率分布幾種纖芯的折射率分布混合折射率分布混合折射率分布 maxpcorern rnnR 平坦模分布平坦模分布錐形分布錐形分布二次曲線分布二次曲線分布 階躍分布階躍分布ppt1

5、.1 1.1 光纖的結構設計光纖的結構設計l 高折射率區(qū)分布偏離軸心，有利于增加模場面積，但高折射率區(qū)分布偏離軸心，有利于增加模場面積，但模場的約束能力下降，彎曲引起的畸變嚴重；模場的約束能力下降，彎曲引起的畸變嚴重；l 高折射率區(qū)越趨向中心，模場的抗彎性加強，彎曲畸高折射率區(qū)越趨向中心，模場的抗彎性加強，彎曲畸變少，但模面積偏小。變少，但模面積偏小。 錐形分布錐形分布二次曲線分布二次曲線分布平坦模分布平坦模分布v 纖芯的折射率分布影響模場特性纖芯的折射率分布影響模場特性四層泄漏形分布四層泄漏形分布ppt1.1 1.1 光纖的結構設計光纖的結構設計-50-40-30-20-1001020304

6、05000.10.20.30.40.50.60.70.80.91Radial Position (um)Normalized IntensityMode Intensity Profiles for Different Fibers (Unbend) FMSIFCFPF-50-40-30-20-10010203040505000.10.20.30.40.50.60.70.80.91Radial Position (um)Normalized IntensityMode Intensity Profiles for Different Fibers (Bend) FMSIFCFPF橫截面折射率分

7、布橫截面折射率分布不彎曲時模面積不彎曲時模面積 (um2) 彎曲后模面積彎曲后模面積 (um2)壓縮率壓縮率 平坦模分布（平坦模分布（FM)26455175.12 階躍分布（階躍分布（SIF）11425422.11 錐形分布錐形分布 （CF）6176001.03 二次曲線分布二次曲線分布 (PF)4014001.00模面積變化（模面積變化（d50um）v 同參數下，不同折射率分布相應的模場彎曲變化同參數下，不同折射率分布相應的模場彎曲變化ppt1.1 1.1 光纖的結構設計光纖的結構設計權衡各因素的影響權衡各因素的影響混合型折射率分布混合型折射率分布v 幾種纖芯的折射率分布對模場性能的影響幾種

8、纖芯的折射率分布對模場性能的影響ppt1.11.1 光纖的結構設計光纖的結構設計三包層結構三包層結構耦合泄漏結構耦合泄漏結構光子晶體結構光子晶體結構v 包層折射率變化包層折射率變化泄漏結構泄漏結構ppt1.11.1 光纖的結構設計光纖的結構設計要實現低折射率差，要要實現低折射率差，要求求d/很小，孔容易坍很小，孔容易坍塌，纖芯摻細絲，降低塌，纖芯摻細絲，降低纖芯折射率纖芯折射率v 纖芯、包層折射率都變化纖芯、包層折射率都變化ppt1.11.1 光纖的結構設計光纖的結構設計抑制型三包層結構抑制型三包層結構復合結構復合結構v 折射率和摻雜分布變化折射率和摻雜分布變化ppt1.11.1 光纖的結構設

9、計光纖的結構設計v光纖結構的確定需權衡光纖結構的確定需權衡5 5個因素的影響個因素的影響l 大大基模場面積基模場面積l 彎曲模場的畸變程度彎曲模場的畸變程度l 工作敏感性工作敏感性l 高低階模的損耗差高低階模的損耗差l 折射率差在可加工范圍內折射率差在可加工范圍內ppt1.11.1 光纖的結構設計光纖的結構設計v 光子晶體光纖光子晶體光纖l調整空氣孔間距、大小、填充率等參數，獲得低損耗大模光纖調整空氣孔間距、大小、填充率等參數，獲得低損耗大模光纖Aeff = 1417um2 =20um, d /=0.451, d1 /=0.95, d2 /=0.51, 高階模約束損耗高階模約束損耗 1dB/m

10、, 彎曲半徑：彎曲半徑： R=5cmppt1.21.2 模式選擇控制模式選擇控制v 彎曲選模彎曲選模l光纖激光器往往在彎曲情況下使用，最簡單、最常用的選模方式是光纖激光器往往在彎曲情況下使用，最簡單、最常用的選模方式是彎曲損耗選模；彎曲損耗選模； l光纖彎曲后，導模變?yōu)樾孤┠Ｉ踔凛椛淠?，發(fā)生沿彎曲半徑方向的光纖彎曲后，導模變?yōu)樾孤┠Ｉ踔凛椛淠?，發(fā)生沿彎曲半徑方向的能量輻射能量輻射, , 引起高低階模不同程度的彎曲損耗；引起高低階模不同程度的彎曲損耗； l光纖芯徑比較小時，選模效果明顯；光纖芯徑比較小時，選模效果明顯；彎曲損耗曲線彎曲損耗曲線 d30um, NA0.0500.20.40.60.8

11、100.20.40.60.811.21.41.61.82 LP01LP02LP11LP12耦合系數耦合系數 ( dB/m )彎曲時半徑彎曲時半徑 ( m )ppt1.21.2 模式選擇控制模式選擇控制v 增益導引增益導引l激光光纖中的模式由折射率差和增益分布共同作用決定；激光光纖中的模式由折射率差和增益分布共同作用決定；l傳統(tǒng)激光光纖增益作用微乎其微，而大模場光纖，折射率差小到傳統(tǒng)激光光纖增益作用微乎其微，而大模場光纖，折射率差小到103104, , 增益增益0.11/cm，增益導引與折射率導引共同作用。，增益導引與折射率導引共同作用。 220/222 nnjgdVnnjgNjG ppt1.2

12、1.2 模式選擇控制模式選擇控制v 增益導引增益導引l增益影響模場分布增益影響模場分布無增益無增益 : 5194 um2有增益：有增益：3868 um2ppt1.21.2 模式選擇控制模式選擇控制v 增益導引增益導引l增益分布與模式競爭能力增益分布與模式競爭能力li(z) 模式與增益的重疊因子；lg0 小信號增益系數；lPi(z) 第i個模式的功率；li(r,) 模式場分布；lI0(r,z) 基模的飽和光強 0000, ,iiiggrzgz f rdP zz gz P zdz 20,1, ,/iisatf rrzrdrdIrzI ppt1.21.2 模式選擇控制模式選擇控制v 增益導引增益導引

13、l增益分布與模式競爭能力增益分布與模式競爭能力l低飽和時，低飽和時， LP01的增益最大，飽和加深，的增益最大，飽和加深， 高階模獲得的增高階模獲得的增益超過基模益超過基模LP31模的增益是模的增益是基模的基模的2.5倍倍高階模相對填充因子與光強的關系高階模相對填充因子與光強的關系NA=0.05, d=50um, =1ppt1.21.2 模式選擇控制模式選擇控制v 增益導引增益導引l增益分布與模式競爭能力增益分布與模式競爭能力50um芯徑芯徑100um芯徑芯徑階躍光纖在不同摻雜下的相對增益系數與光強的關系階躍光纖在不同摻雜下的相對增益系數與光強的關系60的填充最佳的填充最佳ppt1.21.2

14、模式選擇控制模式選擇控制v 增益導引增益導引l增益分布與模式競爭能力增益分布與模式競爭能力不同摻雜下的功率分配不同摻雜下的功率分配ppt1.31.3 模式轉換模式轉換v 通過模式耦合，實現轉換通過模式耦合，實現轉換l模場主要以面積較大的高階模形式存在，模面積達到模場主要以面積較大的高階模形式存在，模面積達到2100 um2100 um2 2至至3200 um3200 um2 2；l高階模較低階模的抗彎性強。高階模較低階模的抗彎性強。Ref. S. Ramachandran Opt. Letters. 31(12):1797-1799LP07在在 Rbend=12.9、6.3、4.6cm 時基本

15、不變時基本不變ppt現有技術途徑的優(yōu)缺點現有技術途徑的優(yōu)缺點大模面積實現方法大模面積實現方法缺點缺點優(yōu)點優(yōu)點模式轉換模式轉換 高階模光纖高階模光纖模面積很大模面積很大, ,穩(wěn)定性好穩(wěn)定性好對對摻雜工藝要求高摻雜工藝要求高，需高摻雜，需高摻雜轉換效率高，全玻璃化轉換效率高，全玻璃化無嚴格導模無嚴格導模，高階模損耗小高階模損耗小泵浦光吸收率低，泵浦光吸收率低，加工要精確加工要精確模式競爭不穩(wěn)，一致性要求高模式競爭不穩(wěn)，一致性要求高增益導引光纖增益導引光纖短棒型短棒型孔助導引型孔助導引型諧振泄漏型諧振泄漏型多芯結構型多芯結構型光光子子晶晶體體光光纖纖大基模大基模場設計場設計模面積大模面積大, ,穩(wěn)定

16、性好穩(wěn)定性好怕彎，怕彎，熱效應管理困難熱效應管理困難結構簡單結構簡單，穩(wěn)定性好穩(wěn)定性好折射率差可大可小折射率差可大可小, ,穩(wěn)定穩(wěn)定功率提升空間大功率提升空間大, ,光束質量好光束質量好受限受限于光纖于光纖光柵性能光柵性能，加工難，加工難，會激勵不必要模式會激勵不必要模式彎曲損耗選模彎曲損耗選模方法簡單，效果明顯方法簡單，效果明顯泄漏選模泄漏選模選?？刂七x?？刂乒β柿魇?，引起場畸變功率流失，引起場畸變高低階模的損耗差大高低階模的損耗差大加工困難，選模有限加工困難，選模有限ppt內容目錄內容目錄2最新研究進展最新研究進展13主要技術路線主要技術路線 目前面臨困難目前面臨困難2.1 100um芯徑

17、棒型光子晶體光纖芯徑棒型光子晶體光纖2.2 泄漏通道的孔助導光型光纖泄漏通道的孔助導光型光纖2.3 負折射率光纖負折射率光纖2.8 高效率保偏大模場光纖高效率保偏大模場光纖2.5 高階模諧振耦合泄漏高階模諧振耦合泄漏光纖光纖2.6 高階模光纖高階模光纖2.4 螺旋形大模光纖螺旋形大模光纖2.7 高功率倍頻光纖高功率倍頻光纖ppt最新報道水平最新報道水平v最大的單模輸出芯徑：最大的單模輸出芯徑：100umlAculight 公司公司，4.5MWv最大有效模面積：最大有效模面積：4500um2l耶拿大學耶拿大學， CW輸出輸出320Wv最高光纖激光功率最高光纖激光功率 IPG 光子公司光子公司lC

18、W單模輸出：單模輸出：2.5kW, lCW多模輸出：多模輸出：36kWv最高脈沖峰值功率最高脈沖峰值功率 6MWlLiekki公司公司, 80um芯徑芯徑ppt2.5 kW 單模光纖激光器單模光纖激光器的的實驗數據實驗數據輸出功率輸出功率 ( dB/m )泵浦功率泵浦功率 ( W)l光纖長光纖長15m，風冷卻；，風冷卻；l兩側面泵浦，兩側面泵浦，2kW；l光纖溫度最高值光纖溫度最高值 1200C；l輸出輸出2kW時，時，M21.4；l最大輸出功率最大輸出功率2.53kW；l1.5kW以下，斜率以下，斜率75v IPG光子光子公司公司ppt2.1 100um芯徑棒型光子晶體光纖芯徑棒型光子晶體光

19、纖預放級預放級 1: 2m, 25um 芯徑，芯徑，YDDF預放級預放級 2: 1.5m, 40um 芯徑，芯徑，PCF功放級功放級: 100um 芯徑，芯徑，1.5mm 包層包層, L=92cm ，19 個缺陷孔個缺陷孔 d/=0.19 MOPA結構結構v Aculight 公司公司ppt2. 1 100um芯徑棒型光子晶體光纖芯徑棒型光子晶體光纖M21.3, Epulse= 4.3mJPpeak = 4.5M W 光光效率光光效率=60% 缺點：怕彎；進一步增大芯徑，波導缺點：怕彎；進一步增大芯徑，波導 約束失去意義，過渡到普通的固體激約束失去意義，過渡到普通的固體激 光器，面臨嚴重熱效應

20、問題。光器，面臨嚴重熱效應問題。不同芯徑光纖的實驗結果對比不同芯徑光纖的實驗結果對比70um芯徑光纖的實驗結果芯徑光纖的實驗結果ppt2.2 泄漏通道的孔助導光型光纖泄漏通道的孔助導光型光纖Aeff 3160 um2 , M2 1.3, d / 0.82, Rbend=8.5cmRef. Liang Dong Opt. Express. 14(24):11512-11519，2006孔之間的間隙為高階模的泄漏通道，依靠對不同模式的約束損孔之間的間隙為高階模的泄漏通道，依靠對不同模式的約束損耗差別進行選模，結構簡單，穩(wěn)定性好，易做成保偏光纖。耗差別進行選模，結構簡單，穩(wěn)定性好，易做成保偏光纖。p

21、pt2.2 泄漏通道的孔助導光型光纖泄漏通道的孔助導光型光纖 Proc. of SPIE Vol. 6453 645316-1-645316-7，2007d=50um, Aeff 1400 um2 , M2 1.2, =84%, 保偏光纖保偏光纖 不存在嚴格意義上的導模，高階模的約束損耗不存在嚴格意義上的導模，高階模的約束損耗0.02dB/mppt2.3 負折射率光纖負折射率光纖Ref. A. E. Siegman, J。Appl. Phy. Lett. 2006，89: 251101l依靠增益約束導光，實驗上驗證依靠增益約束導光，實驗上驗證Siegman增益理論增益理論 120nnn 美國佛

22、羅里達中央大學美國佛羅里達中央大學進行了許進行了許多負折射率光纖激光器的實驗多負折射率光纖激光器的實驗磷酸鹽玻璃光纖磷酸鹽玻璃光纖 燈泵浦燈泵浦平平腔結構平平腔結構ppt2.3 負折射率光纖負折射率光纖100um Core，10% Nd-doped ncore-nClad=-n Clad0.35%，ni104 ，L13cm，M2 2 ，P 1.1 mJ ，光光效率，光光效率30l100um100um光纖實驗結果光纖實驗結果ppt2.3 負折射率光纖負折射率光纖d(um) 100 0.14060.35064%10%4%0.01981.510%200 0.01760.044665%75%75%0.

23、01781.210%300 0.00520.013288%91%90%0.00651.8400 0.00220.005695%96%95%0.002520dBppt2.8 高效率高效率保偏大模場光纖保偏大模場光纖v在傳統(tǒng)保偏光纖的纖芯和包層之間加底座，鉺鐿雙摻，光光在傳統(tǒng)保偏光纖的纖芯和包層之間加底座，鉺鐿雙摻，光光效率效率30-40%,脈沖能量脈沖能量160uJ/pulse（峰值功率（峰值功率300W）；）；v通過添加底座，使模式數大大減少。通過添加底座，使模式數大大減少。ppt各國研究情況對比各國研究情況對比國家國家 主要研究機構主要研究機構 最大模面最大模面積積最大芯徑最大芯徑光纖結構光

24、纖結構 美國 Sandia, OFS, Aculight3200um280um高階模光纖高階模光纖 英國 Southampton40um螺旋型纖芯螺旋型纖芯 德國 University of Jena4500um2100um短棒型短棒型PCF 日本 Hokkaido University1417um2高階模諧振泄漏高階模諧振泄漏PCF 丹麥 NKT24um短棒型短棒型PCF 加拿大INO20um三包層光纖三包層光纖ppt內容目錄內容目錄312主要技術路線主要技術路線 最新研究進展最新研究進展目前面臨困難目前面臨困難ppt3. 目前面臨困難目前面臨困難v 3.1 彎曲損耗、模場畸變問題彎曲損耗、

25、模場畸變問題l弱導光纖的彎曲損耗大，允許彎曲的半徑偏大，彎曲只弱導光纖的彎曲損耗大，允許彎曲的半徑偏大，彎曲只能濾除部分高階模能濾除部分高階模ppt3. 目前面臨困難目前面臨困難v 3.1 彎曲損耗、模場畸變問題彎曲損耗、模場畸變問題l彎曲引起嚴重模場畸變，模面積壓縮、模場偏移、模式耦合加劇等，彎曲引起嚴重模場畸變，模面積壓縮、模場偏移、模式耦合加劇等，使原本大模場的設計失去意義；使原本大模場的設計失去意義；86um芯徑芯徑,彎曲后，模面積從彎曲后，模面積從2300um2下降到下降到750 um2，折射率，折射率差越小、差越小、芯徑越大，畸變越嚴重芯徑越大，畸變越嚴重彎曲時的基模場彎曲時的基模

26、場彎曲前的基模場彎曲前的基模場ppt3. 目前面臨困難目前面臨困難v 3.1 彎曲損耗、模場畸變問題彎曲損耗、模場畸變問題l彎曲敏感度因折射率分布而不同；彎曲敏感度因折射率分布而不同；耦合系數為普通光纖的幾百耦合系數為普通光纖的幾百幾幾千倍，基模較多能量被耦合消耗。千倍，基模較多能量被耦合消耗。3corecorecoreeffnRSRnppt3. 目前面臨困難目前面臨困難v 3.1 彎曲損耗、模場畸變問題彎曲損耗、模場畸變問題l彎曲引起模式的競爭能力改變；彎曲引起模式的競爭能力改變；與增益重疊最大的基模彎曲后可能小與增益重疊最大的基模彎曲后可能小于高階模的重疊因子，失去競爭優(yōu)勢于高階模的重疊因

27、子，失去競爭優(yōu)勢彎曲前彎曲前彎曲后彎曲后摻雜曲線摻雜曲線折射率分布折射率分布ppt3. 目前面臨困難目前面臨困難v 3.1 彎曲損耗、模場畸變問題彎曲損耗、模場畸變問題l彎曲引起非線性效應閾值下降，大模場光纖彎曲效果更明顯；彎曲引起非線性效應閾值下降，大模場光纖彎曲效果更明顯；SRS受彎曲影響受彎曲影響SPM受彎曲影響受彎曲影響ppt3. 目前面臨困難目前面臨困難v 3.2 增益導引問題增益導引問題l考慮增益作用時的激光速率方程，模式的競爭能力由考慮增益作用時的激光速率方程，模式的競爭能力由因子描述；因子描述； 21( )( )( )( )( )( )( )( )( )( )( )( )( )( )( )( )( , , )( )( )( )( , , )ppppppsisisisisisiijsisjjppappsisiassiipsppepppdPzz gz PzPzdzdPzz gz PzPzd PzPzdzPzPzzPzPzzhhNrzPzPzzN rzh (