高功率光纤激光器研究现状分析..docxVIP

　　一、主要技术路线　　高功率光纤激光器应该具备的特点：高功率激光；高损伤阈值；优良导热率；全玻璃光纤；高非线性阈值；大模场光纤；短光纤；高泵浦吸收率；包层小；高数值孔径。　　大模场激光光纤的研究目标：增大模场面积；提高光束质量；提升输出功率；增加稳定特性。　　致力于大模场光纤的重要研究机构：　　美国能源部Sandia国家实验室　　美国Aculight公司　　美国OFS实验室　　美国罗切斯特大学（University of Rochester）　　美国密执安大学（University of Michian）　　德国耶拿大学（University of Jena）　　德国IPG光子公司　　英国南安普敦大学（University of Southampton）　　芬兰Liekki公司　　日本北海道大学（Hokkaido University）　　研究的总体思路：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，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，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，并确保系统稳定工作。　　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　　模式选择控制---多模光纤---弯曲选模/泄漏选模---多模光纤/单模输出　　模式转换---基模光纤---高阶模光纤---基模光纤　　光纤的结构设计：纤芯折射率变化；包层折射率变化；折射率和掺杂分布变化；光子晶体结构。　　1.光纤的结构设计　　几种纤芯的折射率分布图　　纤芯的折射率分布影响模场特性　　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；　　高折射率区越趋向中心，模场的抗弯性加强，弯曲变少，但模场面积偏小　　同参数下，不同折射率分布相应的模场弯曲变化　　集中纤芯的折射率分布对模场性能的影响　　包层折射率变化　　纤芯、包层折射率都变化　　要实现低折射率差，要求d/∧很小，孔容易坍塌，纤芯掺细丝，降低纤芯折射率。　　diameter：200μm　　holey pump cladding diameter：85μm　　holey pump claddingpitch ∧：10μm　　d/∧=0.6　　total laser core diameter：36μm　　filament pitch：3μm　　filament diameter：1.6μm(actively doped part)　　折射率和掺杂分布变化　　光纤结构的确定需权衡5个因素的影响：大基模场面积；弯曲模场的畸变程度；工作敏感性；高低阶模的损耗差；折射率差在可加工范围内。　　光子晶体光纤，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=1417u㎡∧=20um，d/∧=0.451，d1/∧=0.95，d2/∧=0.51，高阶模约束损耗＞1dB/m，弯曲半径：R=5cm　　2.模式选择控制　　弯曲选模　　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；　　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，引起高低阶模不同程度的弯曲损耗；　　光纤芯径较小是，选模效果明显；弯曲损耗曲线，d=30um，NA=0.05　　增益导引　　激光光纤中的模式有折射率差和增益分布共同作用的决定；　　传统激光光纤增益作用微乎其微，而大模场光纤，折射率差小刀0.001--0.0001，增益0.1--1/cm，增益导引与折射率导引共同作用。　　增益导引　　增益影响模场分布　　增益分布与模式竞争能力　　其中，Γi(z)模式与增益的重叠因子，go小信号增益系数，Pi(z)第i个模式的功率，ψi(r，θ)模式场分布，Io(r，θ，z)基模的饱和光强。　　高阶模相对填充因子与光强的关系NA=0.05，d=50um，Γ=1。　　低饱和时，LPo1的增益最大，饱和加深，高阶模获得的增益超过基模。　　阶跃光纤在不同掺杂下的相对增益系数与光强的关系。　　不同掺杂下的功率分配　　3.模式转换　　通过模式耦合，实现转换　　模场主要以面积较大的高阶模形式存在，模面积达到2100u㎡至3200u㎡；　　高阶模较低阶模的抗弯性强　　现有技术途径的优缺点　　二、技术水平　　Aculight 公司，4.5MW，最大大的单模输出芯径100um；　　耶拿大学，CW输出320W，最大有效模面积4500u㎡；　　IPG光子公司，最高光纤激光功率CW单模输出2.5kW，多模输出36kW；　　Liekki 公司80um芯径，最高脉冲峰值功率大于6MW。　　IPG光子公司2.5kW单模光纤激光器的实验数据。　　光纤长15m，风冷却；　　两测面泵浦，