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高功率光纤激光器和放大器

时间:2025-06-24 浏览:2
第一台光纤激光器的输出功率只有几毫瓦。近年来,光纤激光器发展迅速,获得了高功率光纤放大器。特别是,即使在一些单模光纤中,放大器的输出功率也可以达到数百瓦。千瓦。这是由于光纤的表面积与体积比大(以避免过热)和导波(波导)特性,从而避免了高温下的热光效应问题。光纤激光器技术与其他高功率固体激光器、薄盘激光器等相比具有很强的竞争力。
通常,高功率光纤激光器和放大器使用掺杂稀土的双包层光纤,并由光纤耦合的高功率二极管条或其他激光二极管泵浦。泵浦管不进入光纤纤芯,而是进入内包层,并在内包层中产生激光。产生的激光束质量非常好,甚至可以获得衍射极限的光束质量,需要单模光纤。因此,光纤激光器的输出光的亮度比泵浦光的亮度高几个数量级,尽管输出功率低于泵浦光的输出功率。(通常泵浦效率大于50%,有时甚至大于80%)因此这种光纤激光器可以用作亮度转换器,即增加光亮度的器件。
对于特别高的功率,纤芯面积需要足够大,因为光强度会非常高,另一个原因是双包层光纤中包层与纤芯面积的比值很大,导致泵浦吸收低。当纤芯面积在几千平方微米量级时,使用单模光纤纤芯是可行的。使用多模光纤,当模面积相对较大时,可以获得质量良好的输出光束,光波主要是基模。(除了高功率下的强模耦合的情况外,通过缠绕光纤在一定程度上也可以激发高阶模)随着模面积的增大,光束质量不再受衍射限制,但与在类似功率强度下工作的for(例如棒状激光器)相比,最终的光束质量仍然相当好。

对于特别高的功率,纤芯面积需要足够大,因为光强度会非常高,另一个原因是双包层光纤中包层与纤芯面积的比值很大,导致泵浦吸收低。当纤芯面积在几千平方微米量级时,使用单模光纤纤芯是可行的。使用多模光纤,当模面积相对较大时,可以获得质量良好的输出光束,光波主要是基模。(除了高功率下的强模耦合的情况外,通过缠绕光纤在一定程度上也可以激发高阶模)随着模面积的增大,光束质量不再受衍射限制,但与在类似功率强度下工作的for(例如棒状激光器)相比,最终的光束质量仍然相当好。

图2:高功率双包层光纤放大器设置示意图,泵浦光通过自由空间进入光纤端口。气体玻璃界面必须严格对齐和清洁。
所有注入泵浦光的方法之间的比较都很复杂,因为涉及许多方面:传输效率、亮度损失、易于处理、操作灵活、可能的背反射、从光纤芯到泵浦光源的漏光、保持偏振的选择等。
尽管最近大功率光纤器件的发展非常迅速,但仍然存在一些阻碍进一步发展的局限性:
图2:高功率双包层光纤放大器设置示意图,泵浦光通过自由空间进入光纤端口。气体玻璃界面必须严格对齐和清洁。
所有注入泵浦光的方法之间的比较都很复杂,因为涉及许多方面:传输效率、亮度损失、易于处理、操作灵活、可能的背反射、从光纤芯到泵浦光源的漏光、保持偏振的选择等。
尽管最近大功率光纤器件的发展非常迅速,但仍然存在一些阻碍进一步发展的局限性:
光纤非线性影响许多方面。即使在CW设置中,拉曼增益也很高(甚至以分贝为单位),以至于很大一部分功率被转移到无法放大的较长波长斯托克斯波上。单频操作受到受激布里渊散射的极大限制。当然,有一些测量方法可以在一定程度上抵消这种影响。锁模激光器中产生的超短脉冲,自相位调制会对其产生强烈的光谱展宽效应。此外,注入非线性偏振旋转还有其他问题。
由于上述限制,高功率光纤器件通常不被严格认为是可扩展的功率器件,至少不在可实现的功率范围之外。(之前的改进不是通过单功率缩放实现的,而是通过改进光纤设计和泵浦二极管实现的。)
当将光纤激光器技术与薄盘激光器进行比较时,这具有重要意义。在“激光功率校准”条目中有更详细的描述。
即使没有真正的功率缩放,也可以做很多工作来改进高功率激光器的设置。一方面,有必要改进光纤设计,例如使用大的光纤模式面积和单模引导,这通常是通过使用光子晶体光纤来实现的。许多光纤组件非常重要,例如特殊的泵浦耦合器、连接不同模尺寸光纤的光纤锥和特殊的光纤冷却装置。一旦达到某一光纤的功率限制,复合梁是另一种选择,并且存在合适的光纤设置来实现这一技术。对于超短脉冲放大器系统,有许多方法可以减少甚至部分利用光纤的非线性效应,如光谱展宽和随后的脉冲压缩。
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