1高功率光纖雷射器的研究現狀
隨著光纖雷射器技術的發展,現在的光纖雷射器的輸出功率變化范厘非常大,可從毫瓦量級變化到千瓦量級,幾百一千M至幾牛千瓦的大功率雷射器也成為研究研究。其套用範圍也從原來單一的光通信領域擴展到醫療美容、工業生產、機械製造、材料處理、熱核聚變、航空航天和國防軍事等行業。
隨著全光通信網路的發展,高功率光纖雷射器和放大器能使光纖以更低的損耗傳輸、更長的距離傳輸信號,以實現遠距離通信信號的無差錯傳輸。雷射焊接更具有牢固、精密、密封性好、易控制、勝任小尺寸以及結構複雜工作的優點。在輝接領域,雷射燥接和燒結所需的功率為50 W到500 W,金屬輝接和硬輝所需功率更高達20 kw。在軍用領域,光纖雷射器的輸出功率至少要達到100 kw,且具有輸出能量高度集中,射擊無后座力,精準定位等優點。在醫用方面,光纖雷射器作為手術刀用於各種外科手術中,並已經取得廣泛套用,如21 um摻銩光纖雷射器經常用在顯微外科手術中,而且近幾年興起的雷射美容市場也非常火爆。在歐美等已開發國家汽車零部件都使用雷射加工,比如雷射焊接和切割,市場份額高達約60%-75°%。在石油礦產領域,高功率光纖雷射器也發揮著重要作用,2003年美國天然氣技術研究所用5.34 kw高功率雷射器進行井下射孔實驗,證明了此種大功率光纖雷射在合理操控下甚至能夠擊碎硬度很大的岩土類物質。光纖雷射器與其他雷射器相比具有光束質量高、泵浦效率高、穩定性強等優點,因而在市場上得到廣泛套用,個科研機構和相關公司也不斷投入以獲得性能更加優良的光纖雷射器
2概述
典型的光纖雷射器是單芯光纖雷射器,其光纖結構由外包層、內包層和纖芯構成。而多芯光纖則是在同一包層內含有多個纖芯,每個纖芯均工作在單模狀態,一條光波導中集成了多個單芯光纖。多芯光纖的概念早在上世紀七十年代末就被提出,但是 發多芯光纖面臨著光纖光纜的製造成本高和難以 發高密集度大芯數光纜兩大難題。隨著光纖製造技術的快速發展和不斷完善,使得多芯光纖在製造過程中成本逐漸降低、機械強度和可靠性不斷提高,開發多芯光纖所面臨的難題得以解決,到上個世紀九十年代,多芯光纖才慢慢走向實用化階段。多芯光纖除用於製作高密度光纜外,還套用於光纖濾波器、光纖感測器、光開關、光波分復用器、等光纖通信和光纖感測領。
D.R.Scifres在1996年因正式提出多芯光纖雷射器的概念獲得專利。相比較其他相千組束方法,多芯光纖雷射器結構簡單,輸出功率高,纖芯間距離很近,通過減小纖芯間距等方式得到有效的調節和控制各纖芯之間的波耦合。
3多芯光纖的製作
多芯光纖拉制的工藝主要有兩種:一種是在芯層玻璃的棒體上套上外包層的玻璃管,之後送入乳高溫爐軟化拉製成光纖;另一種是用預製棒直接在高溫爐中加溫軟化拉制出光纖。
多芯光纖製作工藝與標準單芯光纖不同;主要有兩種製作技術;第一種是多芯光纖嵌入光纖預製棒製作技術,此方法除了預製棒製作工藝不同外,其光纖拉制方法與普通標準光纖的拉制過程相同,第二種稱為多相禍技術,每一個纖芯都是由獨立的內坦禍中引出,纖芯的數目及對應位置分布通過纖芯內it禍來加以調整,外謝禍引出的是包層材料,這樣多個內琳禍引出的被外播禍引出的包層包裹,共同拉出的即是所謂的多芯光纖。
此外還有介紹的一種是光子晶體光纖(Multicore photonic crystal fiber)它是一種常見的多芯光纖,製作多芯光子晶體光纖的方法與製作單模光子晶體光纖的(PCF)方法一樣,都是先鑽孔後堆積的製造,唯一不同之處在於預製棒橫截面結構的設計,通過改變纖芯的位置分布或改變空氣孔的比例可以獲得具有不同親合度的多芯光纖。
4多芯光纖中的超模
光纖結構的不同決定了多芯光纖輸出不同的超模,多芯光纖超模模場分布和傳輸特性是多芯光纖研究和套用中最重要的問題。關於多芯光纖的超模模場分布的研究及理論分析已經有大量文獻分析過,分析結果表明多芯光纖的輸出模式是含有多個超級模式的混合模。
最常釆用的分析多芯光纖雷射器的不同模式的理論是耦合模理論(Coupled, mode theory, CMT) 親合模理論可以對纖芯之間的親合過程進行解析的模擬仿真。如果多芯光纖各纖芯之間的親合較強的話,可以用多模干涉法(Multimode Interference,對其進行分析。另外常用的有限元分析法(Finite element method, FEM)求解多芯光纖中傳導的超模可以獲得很髙的精確度,。此外還有基於有限差分光束傳輸法(Beam propagationmetllod, 的數譚方法吾模理論具有可行性和精確性等優點,適用於分析多芯的光纖結構,前面已經提到過它一般只適用於弱稱合的情形,如果配合使用矢量親合模理論(VCMT)可以獲得更高精度的求解結果。已有可以模擬多芯光纖模場分布的軟體Cortisol、Rsoft、BeamPROP等,這些軟體可直接用來進行多芯光纖中模式傳導的模擬。.
5多芯光纖中的模式選擇
多芯光纖中同時存在多個模式,其中同相位模式的光束質量最好;我們通常採用各種選模方式,儘量提高同相位模式的輸出功率,抑制其它模式的輸出。因此模式選擇問題成為多芯光纖雷射器中的關鍵問題,常見的選模方法可歸納為以下五種:
1.塔爾伯特腔選模
塔爾伯特腔選模法是目前套用最廣泛的一種很重要的選模方式。1836年Talbot發現當一束相干光束照射周期性排列的物體時,在傳輸方向存在周期性自映像現象,這種現象稱為塔爾伯特(Talbot)效應。Talbot效應是一種特殊的Fresnel衍射現象。隨著技術的不斷發展,Talbot效應在光學技術中有了很重要的套用,比如精確檢測光束的準直性、檢驗透鏡像差、位相物體的變形等。
塔爾伯特腔(Talbot cavity)己廣泛套用於多芯光纖光束合成的實驗和研究中。近年來在多芯光纖雷射器的研究中,基於塔爾伯特效應的選模方式在實驗室研究中得驗證,並在很多實際生產中得到廣泛推廣,且有大量相關報導。M.Wrage等人在多芯光纖尾端設定塔爾伯特腔,以實現對不同模式的定性選擇。所採用的參數具體為:雷射波長1060 nm、數值孔徑=0.16,18芯光纖、二極體泉浦長為Im、改鏡對波長為的反射率是56%。實驗中通過移動腔鏡的距離,選擇出不同的超模,實現穩定的相位輸出。Y.HUO等人對塔爾伯特腔選模方式進行進一步的分析與實驗,對Talbot cavity中的競爭機制建立了理論模型,深入分析各個模式的模式競爭。2001年M.Mrage等人在以前塔爾伯特腔的基礎上用微結構反射鏡代替原來普通的平面反射鏡,使超模選擇效率進一步得到提高。
Talbot外腔鎖相是一種基於發光單元的自再現的技術,和其他常規的外腔鎖相技術相比具有腔的功率損耗相對較小、模式區分能力強等優點。其不足之處是腔長必須得到嚴格精確的控制,對精確度要求很高,實現起來比較複雜,而且容易受周圍環境的影響。而且自由空間的塔爾伯特腔難以實現同相位超模的單模輸出,線性選模非線性光學選模方式是指當抽運光功率超過一定閾值時,因為光纖內部本身存在的非線性光學效應,使得等距式多芯光纖光束以最好的質量,即(in-phase supermode)輸出。它是由P.K.Chen等人提出的。
3.空間濾波選模法
2008年,MichaiUe等人採用空間濾波法對六芯光子晶體光纖進行選模,具體方法是在遠場放置空間濾波孔,並通過適當調節孔的大小,調Q運轉,最終獲得脈寬為26 ns的窄脈衝輸出,峰值功率高達90 kw。
4.自傅立葉腔選模法
在多芯光纖雷射器選模方式的研究中,自傅立葉腔選模法也是一種常用的多芯光纖雷射器選模方式。關於自傅立葉腔選模方式的機理及結構己有大量的分析和報導,在多芯光纖產生的超模中釆用自傅立葉腔可以對同相位超模進行有效的選擇。E.J.Bochove等人對自傅立葉腔進行了理論分析和實驗驗證,驗證了其選模的方式的有效性。
5.光波導選模
光波導選模是指將多芯光纖與另外一種不同的光波導之間相連,在多芯光纖中激發出來的各個模式在傳輸過程中互相競爭,所利用的光波導利於部分模式的輸出抑制其它模式的輸出,從而實現特定模式的選擇性輸出。L丄i等在試驗中將傳統塔爾伯特腔選模方式與白光纖結合進行選模,具體操作為將多芯光纖的一端或兩端與直徑為200 urn的白光纖擦接,構成性能更為優越的全光纖系統。另外一種多芯光纖選模機制是將多芯光子晶體光纖與微結構光纖恪接,通過調整和最佳化微結構光纖的參數,提高同相位超模的輸出功率及輸出效率,儘可能的實現單模輸出。
以上對多芯光纖的選模方法進行簡單介紹,除以上幾種常用的方法外科學家們還在不斷探究更好的選模方式,最佳化常用的選模方式,不斷從各個角度剖析模式之間的競爭,以實現多芯光纖中同相位模式更好的輸出。
6多芯光纖雷射器的研究現狀
與單芯光纖雷射器相比多芯光纖雷射器有著更大的有效模場面積,有利於提高光束的輸出功率。多芯光纖雷射器因各個纖芯之間互相稱合直接形成超模傳導因為各個纖芯之間的距離已定,所以纖芯之間的相位差已經鎖定,同時纖芯之間的離散分布有利於` 響I。多芯光纖的出現為高功率雷射輸出光纖雷射器的實現提供又一種可能。因為多芯光纖雷射器具備其它光纖難以比擬的獨特優勢,國外很多知名研究機構展開了大量的理論和試驗研究,例如美國Arizona大學、PC Photonics、英國QinctiQ和俄羅斯Troitsk新技術研究中心等。已有大量關於7芯、19芯、37芯等不同纖芯數目和不同結構的多芯光纖雷射器研究報導。
2001年,P.K.Cheo等人報導了七芯光纖雷射鎖相輸出的詳細情況。整個光纖的光束質量較好,其中輸出總功率超過5 同相超模數值孔徑NA為0.15,光束質量因子M2<1.2,斜效率為65.2%,遠場中央主瓣功率超過總功率的80%[31]。2004年,Cheo等人對19芯光纖進行試驗,輸出功率超過100 W,遠場光束質量因子為M2為1.5,這個值接近同相超模光束質量理論值。
2005年,L.MichaiUe等人對六芯光子晶體光纖進行試驗,實現雷射的鎖相輸出,其斜效率為649^,合成光束遠場發散角小於衍射極限的1.1倍左右。2006年,Michaille等人又對18芯光子晶體光纖進行試驗,實現雷射的鎖相輸出,具體數值為平均功率65 W,斜效率為46%,合成光束場發散角是衍射極限的1.2倍左右。並且通過實驗驗證了雷射器效率隨纖芯數目增多而降低。
Y.HUO等人主要對多芯光纖雷射器理論知識方面進行研究,給出了人們研究多芯光纖雷射器方面的理論指導,並對其雷射輸出建立了完整的理論模型。通過大量試驗及仿真證明雷射器的光光轉換效率將隨著纖芯數目的增多而降低,比如說7芯光纖的轉換效率為70%,而19芯光纖的光光轉換效率則只有50%。Cheo等建立的稱合模理論還表明合成光束質量將隨纖芯的增多、輸出功率的提高而下降。國內的光纖雷射器技術有著很快的發展,如北京交通大學、天津大學、國防科技大學等科研機構和大學已經 展了關於多芯光纖雷射器的研究,並取得一定成果,但總體來說還處於探索階段。
