高功率單模光纖激光器最新進(jìn)展分析

　　如果說(shuō)激光技術(shù)領(lǐng)域有一個(gè)明顯的趨勢(shì)，那就是光纖激光器的興起。在高功率切割和焊接應(yīng)用方面，光纖激光器已經(jīng)從高功率 CO2 激光器和固體激光器手中搶占了大量市場(chǎng)份額。目前，一些主流的光纖激光器制造商正在探索許多新的應(yīng)用，以滿(mǎn)足更多市場(chǎng)需求。

　　在高功率光纖激光器中，單模系統(tǒng)具有令人滿(mǎn)意的特性 ：它們具有高的亮度，可以聚焦至幾微米到最高的強(qiáng)度。它們還具有最大的焦深，這使它們最適合遠(yuǎn)程加工。然而它們難以制造，只有市場(chǎng)領(lǐng)先的美國(guó)IPG Photonics 公司才能提供具有單模10kW 功率的系統(tǒng)。不幸的是，沒(méi)有關(guān)于其光束特性的細(xì)節(jié)，特別是可能與單模光束一起存在的任何可能的多模成分。

　　由德國(guó)政府資助、來(lái)自德國(guó)Friedrich Schiller University 和弗勞恩霍夫應(yīng)用光學(xué)與精密工程研究所(Fraunhofer IOF)的科學(xué)家團(tuán)隊(duì)與德國(guó)通快公司、Active Fiber Systems 公司、 業(yè) 納 公 司 和 Leibniz Institute ofPhotonic Technology 合作，分析了提升這種激光器功率的挑戰(zhàn)，然后開(kāi)發(fā)了新的光纖來(lái)克服這些限制。該團(tuán)隊(duì)成功地完成了一系列測(cè)試，展示了4.3kW 的單模輸出，其中光纖激光器輸出僅受到輸入泵浦功率的限制。

　　圖1：德國(guó)的一個(gè)研究團(tuán)隊(duì)已經(jīng)展示了光纖激光器的4.3kW單模輸出，其輸出僅受到輸入泵浦功率的限制。

　　抑制單模光纖激光提升的效應(yīng)

　　這種單模大功率光纖激光器面臨的挑戰(zhàn)是什么?這些挑戰(zhàn)主要可分為三個(gè)領(lǐng)域 ：a)改進(jìn)泵浦，b)設(shè)計(jì)具有低光學(xué)損耗且僅在單模運(yùn)行下工作的有源光纖，以及 c)正確測(cè)量所得到的輻射。在本文中，我們假設(shè)挑戰(zhàn) a)可以通過(guò)高亮度激光二極管和適當(dāng)?shù)鸟詈霞夹g(shù)得以解決，因此我們將主要精力聚焦在其他兩個(gè)挑戰(zhàn)領(lǐng)域。

　　在用于高功率單模運(yùn)行的有源光纖設(shè)計(jì)中，有兩組通用參數(shù)要優(yōu)化 ：摻雜和幾何形狀。必須確定所有參數(shù)以實(shí)現(xiàn)最小損耗、單模運(yùn)行以及最后的高功率放大。完美的光纖放大器將提供超過(guò)90%的高轉(zhuǎn)換率、完美的光束質(zhì)量，以及僅由可用的泵浦功率限制的輸出功率。

　　然而，將單模系統(tǒng)提升到較高功率可能導(dǎo)致激活纖芯內(nèi)更高的功率密度，增加的熱負(fù)載以及許多非線(xiàn)性光學(xué)效應(yīng)，例如受激拉曼散射(SRS)和受激布里淵散射(SBS)。

　　最引人注目的是摻鐿石英光纖典型的一種效應(yīng)，并且在光纖激光器早期當(dāng)光纖材料不像今天這樣純凈時(shí)是眾所周知的，這就是光致暗化。在該過(guò)程中，由于激光材料相互作用，在材料中形成缺陷中心或色心。這種效應(yīng)是寄生的：它將泵浦光子轉(zhuǎn)換成熱，這導(dǎo)致較低的放大和增加的熱負(fù)荷。

　　根據(jù)激活纖芯的尺寸，可以激發(fā)和放大幾種橫模。對(duì)于纖芯和包層之間給定的折射率階躍，激活纖芯的截面越小，這些模式的數(shù)量就越小。然而，更小的直徑也意味著更高的功率密度。一些技巧包括彎曲光纖增加高階模式的損耗。

　　然而，對(duì)于較大的芯徑，以及在熱負(fù)載下，可能會(huì)出現(xiàn)其他模式。那些模式在放大期間經(jīng)受相互作用，沒(méi)有最佳傳播條件，輸出分布可能會(huì)在空間或時(shí)間上不穩(wěn)定。