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，以滿足更多市場(chǎng)需求。
抑制單模光纖激光提升的效應(yīng)
在高功率光纖激光器中，單模系統(tǒng)具有令人滿意的特性 ：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。
橫模不穩(wěn)定性
摻鐿（Yb）光纖是高功率單模光纖激光器的典型主力介質(zhì)。但超過(guò)一定的閾值，它們將顯示出全新的效應(yīng)，即所謂的橫向模式不穩(wěn)定性（TMI）。在特定功率水平下，突然出現(xiàn)高階模式或甚至包層模式，能量在這些模式之間動(dòng)態(tài)傳遞，并且光束質(zhì)量降低。光束在輸出端開(kāi)始波動(dòng)。
自從發(fā)現(xiàn) TMI 以來(lái)，已經(jīng)在從階躍折射率光纖到光子晶體光纖的各種光纖設(shè)計(jì)中觀察到 TMI。只有其閾值隨幾何形狀和摻雜而變化，但粗略估計(jì)，這種效應(yīng)在輸出功率超過(guò) 1kW后才顯現(xiàn)。與此同時(shí)，該效應(yīng)與光纖內(nèi)部的熱效應(yīng)相結(jié)合，與光致暗化效應(yīng)有很強(qiáng)的相關(guān)性。此外，光纖激光器對(duì) TMI 的敏感性似乎受到纖芯模態(tài)組成的影響。
階躍折射率光纖的幾何形狀產(chǎn)生了許多用于優(yōu)化的參數(shù)。纖芯直徑、泵浦包層的尺寸，以及纖芯和泵浦包層之間的折射率差異，都可以調(diào)整。這種調(diào)諧取決于摻雜濃度，也就是說(shuō)，Yb 離子的濃度可用于控制激活光纖中泵浦輻射的吸收長(zhǎng)度。 可以添加其他摻雜劑以減少熱效應(yīng)，并控制折射率階躍。
但有一些相反的要求。為了減少非線性效應(yīng)，光纖應(yīng)該更短。然而，為了減少熱負(fù)荷，光纖應(yīng)該更長(zhǎng)。光致暗化隨著摻雜濃度的平方增加，因此具有較低摻雜的較長(zhǎng)光纖將更好。
有關(guān)這些參數(shù)的最初建議，可以在模擬中發(fā)現(xiàn)。一些參數(shù)，例如熱行為，可以模擬但難以預(yù)測(cè)，尤其是因?yàn)楣庵掳祷艿停⑶也荒芡ㄟ^(guò)加速測(cè)試來(lái)測(cè)量。因此，直接測(cè)量光纖中的熱行為，將有助于實(shí)驗(yàn)的規(guī)劃。
對(duì)于典型的有源光纖，圖 2 給出了從光纖放大器內(nèi)部同時(shí)分布式溫度測(cè)量提取的測(cè)量熱負(fù)荷與模擬熱負(fù)荷的比較。為了準(zhǔn)確地預(yù)測(cè)縱向溫度曲線，假定僅有 2dB／km 的額外損耗，這顯示了非常低的損耗。
光纖設(shè)計(jì)的另一項(xiàng)重要參數(shù)是截止波長(zhǎng)，這是允許在激活纖芯內(nèi)有更多模式的最長(zhǎng)波長(zhǎng)。不支持大于該波長(zhǎng)的高階模式。
除了光纖本身的性質(zhì)之外，還有幾種方式來(lái)影響放大過(guò)程和損耗機(jī)制，例如光纖彎曲或種子光束的時(shí)間特性和光譜特性。
面向千瓦級(jí)功率的新光纖的測(cè)試
在深入模擬之后，在最近的實(shí)驗(yàn)中生產(chǎn)和檢查了兩種類(lèi)型的摻 Yb 光纖。光 纖 1 的纖芯直徑為 30μm，并且共摻了磷和鋁。與光纖 1 相比，光纖 2 具有較小的 23μm 直徑，并且共摻水平較低，但含有更多的鐿，以實(shí)現(xiàn)略高的折射率分布（見(jiàn)表 1）。
光纖 1 和光纖 2 的計(jì)算截止波長(zhǎng)分別位于 1275nm 和 1100nm 附 近。與芯徑為 20μm、數(shù)值孔徑（NA）為0．06、截止波長(zhǎng)約 1450nm 的典型光纖相比，這要接近單模得多。放大的激光波長(zhǎng)中心為 1067nm。
兩種光纖都已經(jīng)在高功率泵浦方案中進(jìn)行了測(cè)試（見(jiàn)圖 3）。泵浦二極管激光和種子信號(hào)被自由空間耦合到光纖中，光纖制備有熔接的端帽和水沖洗接頭，在靜止水浴中用于冷卻。種子是相位調(diào)制的外腔二極管激光器（ECDL），其被預(yù)放大，以實(shí)現(xiàn)1067nm 的 10W 種子功率和 180pm 的光譜線寬。
在光纖 1 的測(cè)試中，在 2．8kW 的閾值下，在毫秒級(jí)上觀察到突然的波動(dòng)，這可以歸因于 TMI。長(zhǎng)度為30m、種子線寬相同的光纖 2，被泵浦到 3．5kW 的輸出功率，受到 SBS而非 TMI 限制。
在第三個(gè)實(shí)驗(yàn)中，修改種子激光光譜，通過(guò)光譜展寬到比以前實(shí)驗(yàn)更高的程度，來(lái)提高光纖的 SBS 閾值。為此，將具有 300pm 移動(dòng)中心波長(zhǎng)的第二個(gè)二極管激光器與第一個(gè)二極管激光器組合。這種干擾導(dǎo)致時(shí)間跳動(dòng)，由于自相位調(diào)制，使得帶寬隨功率增加。在與之前相同的主放大器中，獲得非常相似的輸出功率值和 90％的斜率效率，但是輸出功率可以提升到4．3kW，而沒(méi)有任何 TMI 的跡象（見(jiàn)表 2）。
測(cè)量挑戰(zhàn)
測(cè)量高功率光纖激光器的所有方面是一項(xiàng)主要工作，需要專(zhuān)門(mén)的設(shè)備進(jìn)行多項(xiàng)不同的任務(wù)。對(duì)于光纖的完全表征，確定了摻雜濃度、折射率分布和光纖纖芯衰減。 例如，測(cè)量不同彎曲直徑的纖芯損耗，對(duì)于與 TMI閾值的相關(guān)性是有價(jià)值的。
在上述光纖放大器測(cè)試期間，使用光電二極管分析的一小部分功率來(lái)確定 TMI 閾值。功率波動(dòng)的發(fā)生相當(dāng)突然和顯著（見(jiàn)圖 5）。雖然在使用光纖 1 的測(cè)試中，這種信號(hào)變化是顯著的，但對(duì)于光纖 2 的功率水平達(dá)到4．3kW 都無(wú)法探測(cè)到這種情況。相應(yīng)的斜率如圖 5a 所示。
光譜和時(shí)間測(cè)量可以用常規(guī)技術(shù)來(lái)執(zhí)行。它們?cè)试S探測(cè)諸如 SBS 發(fā)生（與 TMI 不同的時(shí)間特征）或 SRS（光譜特征）等效應(yīng)。應(yīng)當(dāng)注意在高動(dòng)態(tài)范圍內(nèi)進(jìn)行測(cè)量，以觀察寄生光譜特征的早期生長(zhǎng)，如放大自發(fā)發(fā)射或SRS。這種高動(dòng)態(tài)光譜如圖 5b 所示，并證明 SRS 是不可探測(cè)的。
光束質(zhì)量測(cè)量是光纖激光表征中最困難的部分，值得單獨(dú)討論。簡(jiǎn)言之，不引入熱效應(yīng)的衰減是關(guān)鍵，可以用菲涅耳反射或低損耗透射光學(xué)元件來(lái)完成。
在這里介紹的實(shí)驗(yàn)中，使用楔形平板和脈沖泵浦，在比 TMI 出現(xiàn)的時(shí)間長(zhǎng)的時(shí)間范圍上進(jìn)行衰減。在4．3kW 的輸出功率下，測(cè)得 x 方向上的 M2 為 1．27，y 方向上的 M2 為 1．21。
超快科學(xué)中的應(yīng)用
在高功率單模光纖激光器功率提升大約十年的停滯之后，現(xiàn)在開(kāi)發(fā)新一代具有優(yōu)異光束質(zhì)量的千瓦級(jí)光纖激光器似乎是可行的。業(yè)界已經(jīng)展示了 4．3kW 的輸出功率，并且輸出僅受泵浦功率限制。確定了進(jìn)一步提升的主要限制，并確定了克服這些限制的方法。
應(yīng)當(dāng)注意的是，對(duì)所有已知效應(yīng)的仔細(xì)研究和隨后的參數(shù)優(yōu)化，帶來(lái)了光纖設(shè)計(jì)的進(jìn)步，并最終帶來(lái)了輸出功率的新記錄。進(jìn)一步提升和光纖適應(yīng)其他應(yīng)用看起來(lái)似乎是可行的，這將是接下來(lái)的目標(biāo)。
這帶來(lái)了一些有趣的觀點(diǎn)。一方面，項(xiàng)目合作伙伴希望將結(jié)果轉(zhuǎn)化為工業(yè)產(chǎn)品，但需要進(jìn)一步的重大開(kāi)發(fā)力量。另一方面，該技術(shù)與其他光纖激光系統(tǒng)（例如飛秒光纖放大器）的提升高度相關(guān)。
在超快激光脈沖的光纖放大中，單根光纖已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了近1 kW的功率，而通過(guò)組束技術(shù)，提升到 5kW 現(xiàn)在看來(lái)是可行的。雖然這些系統(tǒng)正在為諸如 ELI 等研究中心研發(fā)，開(kāi)發(fā)可靠的光束傳輸手段仍然是工業(yè)系統(tǒng)的一項(xiàng)主要挑戰(zhàn)。
單模光纖激光器和飛秒光纖放大器的提升，都將需要大量額外的研究工作。這一努力將得到 FraunhoferIOF 旁邊一幢全新大樓的支持。這個(gè)新的光纖技術(shù)中心建筑于 2016 年完工，并設(shè)有專(zhuān)門(mén)的實(shí)驗(yàn)室，用于制造和表征有源光纖、無(wú)源光纖以及納米結(jié)構(gòu)光纖。還將安裝用于制造特種光纖的單獨(dú)拉絲塔。（文／Thomas Schreiber，Andreas Tünnermann，Andreas Thoss）
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