| cyqdesign | 2009-03-30 19:55 |
激光二極管技術(shù)推動(dòng)光纖激光器向高功率發(fā)展最近，高功率光纖激光器技術(shù)所取得的進(jìn)展與高亮度光纖耦合激光二極管的進(jìn)步緊密相關(guān)。今天，基于標(biāo)準(zhǔn)商用光纖、組件和976nm激光二極管，實(shí)現(xiàn)輸出波長(zhǎng)為1μm的千瓦級(jí)光纖激光器已經(jīng)成為可能。人眼安全光纖激光器技術(shù)的發(fā)展，表明基于摻銩光纖和790nm泵浦激光二極管技術(shù)，將來(lái)很可能在2μm處實(shí)現(xiàn)千瓦級(jí)光纖激光器。 高功率激光二極管泵浦模塊 激光二極管泵浦模塊與光纖激光器間的常用接口是直徑100～200μm的光纖尾纖，其典型的數(shù)值孔徑為0.12～0.22。這些二極管尾纖通常被接入光纖合束器，以進(jìn)一步提高泵浦功率（見(jiàn)圖1）。  Seed laser：種子激光 Fiber-coupled pump modules：光纖耦合泵浦模塊（6 ×225W） （6＋1）to 1 combiner：（6＋1）進(jìn) 1 合束器 Yb-doped LMA fiber：摻鐿大模場(chǎng)面積光纖 High-power endcap assembly and collimator：高功率輸出與準(zhǔn)直器 圖1：基于商用光纖、組件和泵浦二極管的1kW主振蕩功率放大（MOPA）光纖激光器系統(tǒng)。長(zhǎng)期以來(lái)，直徑100μm的光纖僅用于耦合激光二極管單管。在超過(guò)900nm的波長(zhǎng)范圍內(nèi)，光纖耦合單管的功率水平已經(jīng)穩(wěn)步增加到10W以上，但在790～810nm的波長(zhǎng)范圍內(nèi)，其功率小于10W。雖然目前單管至100/105μm光纖的耦合效率達(dá)90%以上，但由于單管在垂直方向上并未填滿光纖（理論因子為10～20），這使得這種方式在亮度和光纖耦合功率方面都沒(méi)有達(dá)到最大值。 千瓦級(jí)高功率光纖激光器正在加快發(fā)展，隨著輸出功率的提高，這就需要更高亮度的泵浦模塊，隨之也就需要多個(gè)發(fā)光點(diǎn)的二極管陣列。這些新型高亮度二極管陣列具有增加的腔長(zhǎng)，并與高亮度匹配微光學(xué)元件相結(jié)合，使單陣列中的多個(gè)發(fā)光點(diǎn)耦合入直徑100μm的光纖中成為可能。使用這種方法的最新成果展示通過(guò)一種牢固可靠的、經(jīng)過(guò)工業(yè)驗(yàn)證的裝置中獲得了50W的功率輸出，其理論功率極限超過(guò)100W。由于采用這種陣列，這種設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)了790nm波長(zhǎng)范圍內(nèi)的高亮度模塊（如5mm陣列輸出20W，10mm陣列輸出40W）。通過(guò)波長(zhǎng)鎖定和對(duì)光纖激光器的背反射光進(jìn)行保護(hù)，可以往模塊中加入自由空間光學(xué)系統(tǒng)。 為了實(shí)現(xiàn)千瓦級(jí)的輸出功率，光纖激光采用主振蕩功率放大（MOPA）結(jié)構(gòu)，這需要具有更高功率（大于200W）的泵浦模塊。由于這種設(shè)計(jì)中使用的光纖的直徑可以增加到200μm，上文中提到的高亮度多陣列模塊，可以作為構(gòu)建模塊（building block）以提高功率。通過(guò)光學(xué)疊加和偏振耦合，可將多個(gè)單元（6至10個(gè)）耦合到單根直徑為200μm、數(shù)值孔徑為0.2的光纖中。激光二極管產(chǎn)生的熱量通過(guò)一個(gè)大的銅制熱沉散發(fā)出去，從而可以使用工業(yè)用水或高性能半導(dǎo)體制冷器進(jìn)行冷卻，而不需要使用冷卻微通道疊層所需的去離子水。一個(gè)具有四個(gè)激光二極管陣列的976nm光纖耦合模塊，能通過(guò)200μm的光纖實(shí)現(xiàn)超過(guò)200W的功率輸出（見(jiàn)圖2）。  Power P(W)：功率P（W） Voltage U（V）：電壓 U（V） 圖2： 200W 976nm光纖耦合模塊由四個(gè)激光二極管陣列耦合到200μm的光纖中（上圖）為了獲得更加高的功率，并降低成本和增加亮度，需要對(duì)二極管激光器陣列進(jìn)行優(yōu)化，其中包括降低微光學(xué)系統(tǒng)的復(fù)雜性。2007年德國(guó)DILAS半導(dǎo)體激光公司的一種新型設(shè)計(jì)展示了通過(guò)200μm光纖耦合模塊獲得的500W功率輸出，這種設(shè)計(jì)證實(shí)了填充因子（發(fā)光點(diǎn)截面尺寸除以間距）在10%范圍內(nèi)能實(shí)現(xiàn)兩種重要特性：（1）由于消除了熱干擾，每個(gè)發(fā)光點(diǎn)的輸出功率與單管接近；（2）由于發(fā)光點(diǎn)截面尺寸和間距之比為1：10，因此在慢軸方向（水平方向）獲得了優(yōu)化的光束準(zhǔn)直效果。 通過(guò)將慢軸透鏡陣列和一個(gè)快軸準(zhǔn)直（FAC）透鏡簡(jiǎn)單組合，單陣列的所有發(fā)光點(diǎn)都能耦合到一根直徑為200μm的光纖中。通過(guò)合適的FAC透鏡和低“smile效應(yīng)”的陣列（水平偏差不超過(guò)0.1μm），對(duì)于一根直徑為200μm的光纖而言，理論上最多能實(shí)現(xiàn)30～40個(gè)陣列的光學(xué)疊加。但對(duì)增加功率而言，看來(lái)20個(gè)二極管陣列更加現(xiàn)實(shí)，其輸出功率將超過(guò)1200W。當(dāng)功率超過(guò)數(shù)百瓦的時(shí)候，進(jìn)入光纖的耦合效率和光纖連接器的散熱，將是最首要的問(wèn)題。 1μm高功率光纖激光器 基于商用光纖、泵浦合束器以及泵浦激光二極管的千瓦級(jí)高功率MOPA系統(tǒng)，可以實(shí)現(xiàn)225W的功率輸出。[1]六個(gè)泵浦模塊的總功率為1.2kW，并被組合入一個(gè)錐形光纖束，然后泵浦一根摻鐿（Yb）雙包層光纖，該光纖直徑為400μm，數(shù)值孔徑為0.46（見(jiàn)圖3）。基于模塊的高斜率效率泵浦，這種光纖激光器比較容易實(shí)現(xiàn)具有單模光束質(zhì)量，超過(guò)1kW的功率輸出。這種MOPA結(jié)構(gòu)的好處在于具有對(duì)不同輸入種子源的靈活性和兼容性。美國(guó)Nufern公司已經(jīng)研發(fā)了這種放大器的保偏（PM）版，能提供比其他設(shè)計(jì)更窄的線寬。  1kW amplifier：1kW放大器 signal：信號(hào) launched power：輸出功率 85% slope efficiency：85%的斜率效率 M2=1.2 measured at 1kW：在1kW處測(cè)得M2=1.2 圖3：高轉(zhuǎn)換效率（左圖）、單模光束質(zhì)量（右圖）、保偏特性和窄線寬，是MOPA光纖激光器設(shè)計(jì)的主要優(yōu)點(diǎn)目前的千瓦級(jí)光纖放大器已在8GHz線寬下進(jìn)行了測(cè)試，隨著受激布里淵散射技術(shù)被應(yīng)用到更高的功率水平，千瓦級(jí)光纖放大器很可能將實(shí)現(xiàn)單頻線寬輸出。盡管對(duì)于很多工業(yè)材料加工來(lái)講，線寬和偏振的控制并不重要，但是對(duì)于很多軍事應(yīng)用（光束疊加）來(lái)講，這兩點(diǎn)是至關(guān)重要的。而且我們還發(fā)現(xiàn)，在相同的功率水平上，這些高功率放大級(jí)比它們的振蕩器更加有效，不論是從激光二極管成本還是從總的功率轉(zhuǎn)換效率來(lái)看，這都可稱為一個(gè)優(yōu)點(diǎn)。目前，高亮度976nm二極管的電光轉(zhuǎn)換效率約為45%，由此獲得的放大器總的電光轉(zhuǎn)換效率約為35%。隨著激光二極管材料的改進(jìn)，電光轉(zhuǎn)換效率還有望進(jìn)一步提高。 人眼安全光纖激光器 最近，大多數(shù)高功率光纖激光器的開(kāi)發(fā)都使用摻鐿光纖，泵浦波長(zhǎng)在9xxnm，輸出波長(zhǎng)大約在1080nm。然而，對(duì)于，工作在人眼安全波段（波長(zhǎng)約大于1.4 μm）的高功率、高效率光纖激光器，也是軍事、工業(yè)和醫(yī)學(xué)應(yīng)用感興趣的話題。最近，工作在2μm左右的摻銩（Tm）光纖激光器所取得的進(jìn)展，已經(jīng)使單個(gè)光纖激光器的輸出功率接近1kW。[2] 實(shí)現(xiàn)上述1kW功率的關(guān)鍵在于：對(duì)泵浦摻銩光纖的790nm激光二極管進(jìn)行優(yōu)化，特別是要在較高的電光效率下實(shí)現(xiàn)所需的高功率和高亮度（見(jiàn)圖4）。  Launched pump power：泵浦功率 Output power：輸出功率 68% slope：68%的斜率效率 圖4：793nm的高亮度激光二極管的輸出功率超過(guò)20W，耦合到直徑為105μm的光纖中，電光效率高達(dá)超過(guò)40%。這種泵浦源加上Nufern公司有效的摻銩光纖技術(shù)（60%的斜率效率），使人眼安全光纖激光器首次達(dá)到25%的（功率轉(zhuǎn)換）效率。這種泵浦技術(shù)與高效率摻銩光纖的最新進(jìn)展相結(jié)合，已經(jīng)使人眼安全光纖激光器技術(shù)達(dá)到25%的（功率轉(zhuǎn)換）效率。隨著激光二極管材料的繼續(xù)成熟，這些新工作波長(zhǎng)的光纖激光器也將得到進(jìn)一步的改進(jìn)。 參考文獻(xiàn)： 1. J. Edgecumbe et al., Proc. Directed Energy Professional Society SSDLTR, 193 (June 2008). 2. P. Moulton et al., Lasers and Applications in Science and Engineering (LASE 2008), paper 6873-15 (2008). （文章轉(zhuǎn)載于網(wǎng)絡(luò)，作者：德國(guó)DILAS） |
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