高功率光纤激光器研究现状分析课件.ppt

1、高功率光纤激光器研究现状分析高功率光纤激光器研究现状分析内容目录内容目录123主要技术路线主要技术路线 最新研究进展最新研究进展目前面临困难目前面临困难高损伤阈值高损伤阈值优良导热率优良导热率全玻璃光纤全玻璃光纤短光纤短光纤高泵浦吸收率高泵浦吸收率高数值孔径高数值孔径高功率光纤激光器要求高功率光纤激光器要求高非线性阈值高非线性阈值高功率激光高功率激光大模场光纤大模场光纤大模场光纤大模场光纤包层小包层小大模场激光光纤的研究大模场激光光纤的研究研究目标研究目标增大模场面积增大模场面积 提高光束质量提高光束质量提升输出功率提升输出功率增加稳定特性增加稳定特性致力于大模场光纤的主要研究机构致力于大模场

2、光纤的主要研究机构l美国能源部美国能源部Sandia国家实验室国家实验室l美国美国Aculight 公司公司l美国美国OFS实验室实验室l美国罗切斯特大学美国罗切斯特大学(University of Rochester)l美国密执安大学美国密执安大学(University of Michian)l德国耶拿大学德国耶拿大学(University of Jena)l德国德国IPG光子公司光子公司l英国南安普敦大学英国南安普敦大学(University of Southampton)l芬兰芬兰Liekki公司公司l日本北海道大学日本北海道大学(Hokkaido University)研究的总体思路研

3、究的总体思路 立足于光纤的结构设计，通过改变纤芯立足于光纤的结构设计，通过改变纤芯或包层的折射率分布，降低等效折射率差，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，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，并确制，有效滤除高阶模，实现单模输出，并确保系统稳定工作。保系统稳定工作。1. 1. 主要技术路线主要技术路线模式选择控制多模光纤弯曲选模泄漏选模模式转换法基模光纤高阶模光纤基

4、模光纤多模光纤输出单模光纤结构设计多模光纤复合导引光纤光子晶体光纤单模光纤大模面积大模面积 基模 1.11.1 光纤的结构设计光纤的结构设计包层折射率变化包层折射率变化纤芯折射率变化纤芯折射率变化折射率和掺杂分布变化折射率和掺杂分布变化光子晶体结构光子晶体结构结构可精确调整，结构可精确调整，具有特殊性质具有特殊性质1.1 1.1 光纤的结构设计光纤的结构设计v 几种纤芯的折射率分布几种纤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锥形分布锥形分布二次曲线分布二次曲线分布 阶跃分布阶跃分布1.1 1.1 光纤的结构设计光纤的结构设计l 高折射率

5、区分布偏离轴心，有利于增加模场面积，但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；模场的约束能力下降，弯曲引起的畸变严重；l 高折射率区越趋向中心，模场的抗弯性加强，弯曲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。畸变少，但模面积偏小。 锥形分布锥形分布二次曲线分布二次曲线分布平坦模分布平坦模分布v 纤芯的折射率分布影响模场特性纤芯的折射率分布影响模场特性四层泄漏形分布四层泄漏形分布1.1 1.1 光纤的结构设计光纤的结构设计-50-40-30-20-100102030405000.10.20.30.40.50.60.70.80.

6、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横截面折射率分布横截面折射率分布不弯曲时模面积不弯曲时模面积 (um2)

7、弯曲后模面积弯曲后模面积 (um2)压缩率压缩率 平坦模分布（平坦模分布（FM)26455175.12 阶跃分布（阶跃分布（SIF）11425422.11 锥形分布锥形分布 （CF）6176001.03 二次曲线分布二次曲线分布 (PF)4014001.00模面积变化（模面积变化（d50um）v 同参数下，不同折射率分布相应的模场弯曲变化同参数下，不同折射率分布相应的模场弯曲变化1.1 1.1 光纤的结构设计光纤的结构设计权衡各因素的影响权衡各因素的影响混合型折射率分布混合型折射率分布v 几种纤芯的折射率分布对模场性能的影响几种纤芯的折射率分布对模场性能的影响1.11.1 光纤的结构设计光纤的

8、结构设计三包层结构三包层结构耦合泄漏结构耦合泄漏结构光子晶体结构光子晶体结构v 包层折射率变化包层折射率变化泄漏结构泄漏结构1.11.1 光纤的结构设计光纤的结构设计要实现低折射率差，要要实现低折射率差，要求求d/很小，孔容易坍很小，孔容易坍塌，纤芯掺细丝，降低塌，纤芯掺细丝，降低纤芯折射率纤芯折射率v 纤芯、包层折射率都变化纤芯、包层折射率都变化1.11.1 光纤的结构设计光纤的结构设计抑制型三包层结构抑制型三包层结构复合结构复合结构v 折射率和掺杂分布变化折射率和掺杂分布变化1.11.1 光纤的结构设计光纤的结构设计v光纤结构的确定需权衡光纤结构的确定需权衡5 5个因素的影响个因素的影响l

9、 大大基模场面积基模场面积l 弯曲模场的畸变程度弯曲模场的畸变程度l 工作敏感性工作敏感性l 高低阶模的损耗差高低阶模的损耗差l 折射率差在可加工范围内折射率差在可加工范围内1.11.1 光纤的结构设计光纤的结构设计v 光子晶体光纤光子晶体光纤l调整空气孔间距、大小、填充率等参数，获得低损耗大模光纤调整空气孔间距、大小、填充率等参数，获得低损耗大模光纤Aeff = 1417um2 =20um, d /=0.451, d1 /=0.95, d2 /=0.51, 高阶模约束损耗高阶模约束损耗 1dB/m, 弯曲半径：弯曲半径： R=5cm1.21.2 模式选择控制模式选择控制v 弯曲选模弯曲选模l

10、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；是弯曲损耗选模； l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的能量辐射, , 引起高低阶模不同程度的弯曲损耗；引起高低阶模不同程度的弯曲损耗； l光纤芯径比较小时，选模效果明显；光纤芯径比较小时，选模效果明显；弯曲损耗曲线弯曲损耗曲线 d30um, NA0.0500.20.40.60.8100.20.40.60.811.21.41.61.82 LP01LP02LP11LP12耦合系数耦合

11、系数 ( dB/m )弯曲时半径弯曲时半径 ( m )1.21.2 模式选择控制模式选择控制v 增益导引增益导引l激光光纤中的模式由折射率差和增益分布共同作用决定；激光光纤中的模式由折射率差和增益分布共同作用决定；l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103104, , 增益增益0.11/cm，增益导引与折射率导引共同作用。，增益导引与折射率导引共同作用。 220/222 nnjgdVnnjgNjG 1.21.2 模式选择控制模式选择控制v 增益导引增益导引l增益影响模场分布增益影响模场分布无增益无增益 : 5194

12、um2有增益：有增益：3868 um21.21.2 模式选择控制模式选择控制v 增益导引增益导引l增益分布与模式竞争能力增益分布与模式竞争能力li(z) 模式与增益的重叠因子；lg0 小信号增益系数；lPi(z) 第i个模式的功率；li(r,) 模式场分布；lI0(r,z) 基模的饱和光强 0000, ,iiiggrzgz f rdP zz gz P zdz 20,1, ,/iisatf rrzrdrdIrzI 1.21.2 模式选择控制模式选择控制v 增益导引增益导引l增益分布与模式竞争能力增益分布与模式竞争能力l低饱和时，低饱和时， LP01的增益最大，饱和加深，的增益最大，饱和加深， 高

13、阶模获得的增高阶模获得的增益超过基模益超过基模LP31模的增益是模的增益是基模的基模的2.5倍倍高阶模相对填充因子与光强的关系高阶模相对填充因子与光强的关系NA=0.05, d=50um, =11.21.2 模式选择控制模式选择控制v 增益导引增益导引l增益分布与模式竞争能力增益分布与模式竞争能力50um芯径芯径100um芯径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阶跃光纤在不同掺杂下的相对增益系数与光强的关系60的填充最佳的填充最佳1.21.2 模式选择控制模式选择控制v 增益导引增益导引l增益分布与模式竞争能力增益分布与模式竞争能力不同掺杂下的功率分配不同掺杂下的功率分配1.31

14、.3 模式转换模式转换v 通过模式耦合，实现转换通过模式耦合，实现转换l模场主要以面积较大的高阶模形式存在，模面积达到模场主要以面积较大的高阶模形式存在，模面积达到2100 um2100 um2 2至至3200 um3200 um2 2；l高阶模较低阶模的抗弯性强。高阶模较低阶模的抗弯性强。Ref. S. Ramachandran Opt. Letters. 31(12):1797-1799LP07在在 Rbend=12.9、6.3、4.6cm 时基本不变时基本不变现有技术途径的优缺点现有技术途径的优缺点大模面积实现方法大模面积实现方法缺点缺点优点优点模式转换模式转换 高阶模光纤高阶模光纤模面

15、积很大模面积很大, ,稳定性好稳定性好对对掺杂工艺要求高掺杂工艺要求高，需高掺杂，需高掺杂转换效率高，全玻璃化转换效率高，全玻璃化无严格导模无严格导模，高阶模损耗小高阶模损耗小泵浦光吸收率低，泵浦光吸收率低，加工要精确加工要精确模式竞争不稳，一致性要求高模式竞争不稳，一致性要求高增益导引光纤增益导引光纤短棒型短棒型孔助导引型孔助导引型谐振泄漏型谐振泄漏型多芯结构型多芯结构型光光子子晶晶体体光光纤纤大基模大基模场设计场设计模面积大模面积大, ,稳定性好稳定性好怕弯，怕弯，热效应管理困难热效应管理困难结构简单结构简单，稳定性好稳定性好折射率差可大可小折射率差可大可小, ,稳定稳定功率提升空间大功率

16、提升空间大, ,光束质量好光束质量好受限受限于光纤于光纤光栅性能光栅性能，加工难，加工难，会激励不必要模式会激励不必要模式弯曲损耗选模弯曲损耗选模方法简单，效果明显方法简单，效果明显泄漏选模泄漏选模选模控制选模控制功率流失，引起场畸变功率流失，引起场畸变高低阶模的损耗差大高低阶模的损耗差大加工困难，选模有限加工困难，选模有限内容目录内容目录2最新研究进展最新研究进展13主要技术路线主要技术路线 目前面临困难目前面临困难2.1 100um芯径棒型光子晶体光纤芯径棒型光子晶体光纤2.2 泄漏通道的孔助导光型光纤泄漏通道的孔助导光型光纤2.3 负折射率光纤负折射率光纤2.8 高效率保偏大模场光纤高效

17、率保偏大模场光纤2.5 高阶模谐振耦合泄漏高阶模谐振耦合泄漏光纤光纤2.6 高阶模光纤高阶模光纤2.4 螺旋形大模光纤螺旋形大模光纤2.7 高功率倍频光纤高功率倍频光纤最新报道水平最新报道水平v最大的单模输出芯径：最大的单模输出芯径：100umlAculight 公司公司，4.5MWv最大有效模面积：最大有效模面积：4500um2l耶拿大学耶拿大学， CW输出输出320Wv最高光纤激光功率最高光纤激光功率 IPG 光子公司光子公司lCW单模输出：单模输出：2.5kW, lCW多模输出：多模输出：36kWv最高脉冲峰值功率最高脉冲峰值功率 6MWlLiekki公司公司, 80um芯径芯径2.5

18、kW 单模光纤激光器单模光纤激光器的的实验数据实验数据输出功率输出功率 ( dB/m )泵浦功率泵浦功率 ( W)l光纤长光纤长15m，风冷却；风冷却；l两侧面泵浦两侧面泵浦，2kW；l光纤温度最高值光纤温度最高值 1200C；l输出输出2kW时时，M21.4；l最大输出功率最大输出功率2.53kW；l1.5kW以下，斜率以下，斜率75v IPG光子光子公司公司2.1 100um芯径棒型光子晶体光纤芯径棒型光子晶体光纤预放级预放级 1: 2m, 25um 芯径芯径，YDDF预放级预放级 2: 1.5m, 40um 芯径芯径，PCF功放级功放级: 100um 芯径芯径，1.5mm 包层包层, L

19、=92cm ，19 个个缺陷孔缺陷孔 d/=0.19 MOPA结构结构v Aculight 公司公司2. 1 100um芯径棒型光子晶体光纤芯径棒型光子晶体光纤M21.3, Epulse= 4.3mJPpeak = 4.5M W 光光效率光光效率=60% 缺点：怕弯；进一步增大芯径，波导缺点：怕弯；进一步增大芯径，波导 约束失去意义，过渡到普通的固体激约束失去意义，过渡到普通的固体激 光器，面临严重热效应问题。光器，面临严重热效应问题。不同芯径光纤的实验结果对比不同芯径光纤的实验结果对比70um芯径光纤的实验结果芯径光纤的实验结果2.2 泄漏通道的孔助导光型光纤泄漏通道的孔助导光型光纤Aeff

20、 3160 um2 , M2 1.3, d / 0.82, Rbend=8.5cmRef. Liang Dong Opt. Express. 14(24):11512-11519，2006孔之间的间隙为高阶模的泄漏通道，依靠对不同模式的约束损孔之间的间隙为高阶模的泄漏通道，依靠对不同模式的约束损耗差别进行选模，结构简单，稳定性好，易做成保偏光纤。耗差别进行选模，结构简单，稳定性好，易做成保偏光纤。2.2 泄漏通道的孔助导光型光纤泄漏通道的孔助导光型光纤 Proc. of SPIE Vol. 6453 645316-1-645316-7，2007d=50um, Aeff 1400 um2 , M

21、2 1.2, =84%, 保偏光纤保偏光纤 不存在严格意义上的导模，高阶模的约束损耗不存在严格意义上的导模，高阶模的约束损耗0.02dB/m2.3 负折射率光纤负折射率光纤Ref. A. E. Siegman, J。Appl. Phy. Lett. 2006，89: 251101l依靠增益约束导光，实验上验证依靠增益约束导光，实验上验证Siegman增益理论增益理论 120nnn 美国佛罗里达中央大学美国佛罗里达中央大学进行了许进行了许多负折射率光纤激光器的实验多负折射率光纤激光器的实验磷酸盐玻璃光纤磷酸盐玻璃光纤 灯泵浦灯泵浦平平腔结构平平腔结构2.3 负折射率光纤负折射率光纤100um C

22、ore，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光纤实验结果光纤实验结果2.3 负折射率光纤负折射率光纤d(um) 100 0.14060.35064%10%4%0.01981.510%200 0.01760.044665%75%75%0.01781.210%300 0.00520.013288%91%90%0.00651.8400 0.00220.005695%96%95%0.002520dB2.8 高效率高效率保偏大模场光纤保偏大模场光纤v在传统保偏光纤

23、的纤芯和包层之间加底座，铒镱双掺，光光在传统保偏光纤的纤芯和包层之间加底座，铒镱双掺，光光效率效率30-40%,脉冲能量脉冲能量160uJ/pulse（峰值功率（峰值功率300W）；）；v通过添加底座，使模式数大大减少。通过添加底座，使模式数大大减少。各国研究情况对比各国研究情况对比国家国家 主要研究机构主要研究机构 最大模面最大模面积积最大芯径最大芯径光纤结构光纤结构 美国 Sandia, OFS, Aculight3200um280um高阶模光纤高阶模光纤 英国 Southampton40um螺旋型纤芯螺旋型纤芯 德国 University of Jena4500um2100um短棒型短棒

24、型PCF 日本 Hokkaido University1417um2高阶模谐振泄漏高阶模谐振泄漏PCF 丹麦 NKT24um短棒型短棒型PCF 加拿大INO20um三包层光纤三包层光纤内容目录内容目录312主要技术路线主要技术路线 最新研究进展最新研究进展目前面临困难目前面临困难3. 目前面临困难目前面临困难v 3.1 弯曲损耗、模场畸变问题弯曲损耗、模场畸变问题l弱导光纤的弯曲损耗大，允许弯曲的半径偏大，弯曲只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能滤除部分高阶模3. 目前面临困难目前面临困难v 3.1 弯曲损耗、模场畸变问题弯曲损耗、模场畸变问题l弯曲引起严重模场

25、畸变，模面积压缩、模场偏移、模式耦合加剧等，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；使原本大模场的设计失去意义；86um芯径芯径,弯曲后，模面积从弯曲后，模面积从2300um2下降到下降到750 um2，折射率，折射率差越小、差越小、芯径越大，畸变越严重芯径越大，畸变越严重弯曲时的基模场弯曲时的基模场弯曲前的基模场弯曲前的基模场3. 目前面临困难目前面临困难v 3.1 弯曲损耗、模场畸变问题弯曲损耗、模场畸变问题l弯曲敏感度因折射率分布而不同；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耦合系数为普通光纤的几百几几千倍，基模较多能量被耦

26、合消耗。千倍，基模较多能量被耦合消耗。3corecorecoreeffnRSRn3. 目前面临困难目前面临困难v 3.1 弯曲损耗、模场畸变问题弯曲损耗、模场畸变问题l弯曲引起模式的竞争能力改变；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，失去竞争优势于高阶模的重叠因子，失去竞争优势弯曲前弯曲前弯曲后弯曲后掺杂曲线掺杂曲线折射率分布折射率分布3. 目前面临困难目前面临困难v 3.1 弯曲损耗、模场畸变问题弯曲损耗、模场畸变问题l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；弯曲引起非线性效应阈值下降，大模场光纤弯曲效果

27、更明显；SRS受弯曲影响受弯曲影响SPM受弯曲影响受弯曲影响3. 目前面临困难目前面临困难v 3.2 增益导引问题增益导引问题l考虑增益作用时的激光速率方程，模式的竞争能力由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；因子描述； 21( )( )( )( )( )( )( )( )( )( )( )( )( )( )( )( )( , , )( )( )( )( , , )ppppppsisisisisisiijsisjjppappsisiassiipsppepppdPzz gz PzPzdzdPzz gz PzPzd PzPzdzPzPzzPzPzzhhNrzPzPzzN rzh

28、 ( )( )( )1sisiessiisPzPzzh3. 目前面临困难目前面临困难v 3.2 增益导引问题增益导引问题l因子沿传播方向变化，与光强、泵浦功率有关；因子沿传播方向变化，与光强、泵浦功率有关；l损耗系数、耦合系数随光场也发生变化；损耗系数、耦合系数随光场也发生变化；l弯曲畸变、模场压缩程度的描述困难；弯曲畸变、模场压缩程度的描述困难；l调调Q脉冲激光器，需考虑增益恢复的等效荧光寿命；脉冲激光器，需考虑增益恢复的等效荧光寿命；l方程组变得复杂，很难合理求解。方程组变得复杂，很难合理求解。1effpsatII3. 目前面临困难目前面临困难v 3.3 热效应问题热效应问题lkW级以上光

29、纤激光器的纤芯温度通常达到级以上光纤激光器的纤芯温度通常达到1000C以上；以上；l石英光纤的热光系数石英光纤的热光系数6.310-6, 热效应引起的折射率变化与大模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；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；l热透镜可加强对模场的约束，也使光纤损伤的可能性增加。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. 目前面临困难目前面临困难v 3.4 光纤输出模式的分析光纤输出模式的分析l光纤波导内模式与光纤外模式的传播变化；光

30、纤波导内模式与光纤外模式的传播变化；l包含高阶模的输出也可能获得较好的光束质量包含高阶模的输出也可能获得较好的光束质量;l各模式的比例调整，基模如何有效提取。各模式的比例调整，基模如何有效提取。光纤光纤LP01、LP11各各50混合混合模模输出的近场与远场分布输出的近场与远场分布相位差相位差/2相位差相位差03. 目前面临困难目前面临困难v 3.5 模式控制新的技术理论缺乏模式控制新的技术理论缺乏l经典电磁场理论；经典电磁场理论；l速率方程的唯象描述；速率方程的唯象描述；l两种理论如何有效结合，新的理论描述；两种理论如何有效结合，新的理论描述；l半经典理论能否描述模式的特性？半经典理论能否描述模式的特性？