激光二極管技術(shù)推動(dòng)光纖激光器向高功率發(fā)展講解

1、隨著高亮度泵浦激光二極管的發(fā)展，特別是泵浦半導(dǎo)體材料本身更高的效率使每個(gè)發(fā)光點(diǎn)具備了更高的功率，加上在將激光二極管能量耦合進(jìn)傳輸光纖領(lǐng)域所 取得的創(chuàng)新，所有這些進(jìn)步都在促使光纖激光器向著更高的功率水平邁進(jìn)。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)輸出波長為1卩m 的千瓦級光纖激光器已經(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)，將來很可能在 2卩m處實(shí)現(xiàn)千瓦級光纖激光 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1

2、00200卩m的光纖尾纖，其典型的數(shù)值孔徑為 0.120.22。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（見圖1(6-h1) to 1 comtri iwYtrdopedLM A fiberFit j coupledpump modulesHigh-powerendcap assemblyand GollsrriatorSeed laser種子激光Fiber-coupled pump modules 光纖耦合泵浦模塊(6 ：225W)(6+ 1) to 1 comb in er：( 6+ 1)進(jìn) 1 合束器Yb-doped LMA fiber :摻鐿大模場面積光纖High-p

3、ower 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)。長期以來，直徑100卩m的光纖僅用于耦合激光二極管單管。在超過900nm的波長范圍內(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790810nm的波長范圍內(nèi)，其功率小于10W。雖然目前單管至100/105卩光纖的耦合 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有達(dá)到最大值。千瓦級高功 率光纖激光器正在加快發(fā)展，隨著輸出功率的提高

4、，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，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 100卩m勺光纖中成為可能。使用這種方法的最新成果展示通過一種牢固可靠的、 經(jīng)過工業(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 100W。由 于采用這種陣列，這種設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)了 790nm波長范圍內(nèi)的高亮度模塊（如 5mm陣列 輸出20W，10mm陣列輸出40W ）。通過波長鎖定和對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)千瓦級的輸出功率，光纖激光采用主振蕩功率放大（ MOP

5、A ）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200卩m,上文中提到的高亮度多陣列模塊，可以作為構(gòu)建模塊 （buildi ng block）以提高功率。通過光學(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200卩m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200卩m的光纖實(shí)現(xiàn)超過200W的功率輸出（見圖2）OIS O 10.1 976

6、 nm 200 ym fiber 25CPower P (W VoHage U (V)Povrtf P (W)150Power 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200卩m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DILAS半導(dǎo)體激光公司的一種新型設(shè)計(jì)展示了通過200卩m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

7、）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。通過將慢軸透鏡陣列和一個(gè)快軸準(zhǔn)直（FAC ）透鏡簡單組合，單陣列的所有發(fā)光點(diǎn)都能耦合到一根直徑為200卩m的光纖中。通過合適的FAC透鏡和低“smile效應(yīng)”的陣列（水平偏差不超過0.1卩m,對于一根直徑為200卩m勺光纖而言，理論上最多能實(shí)現(xiàn) 3040個(gè)陣列 的光學(xué)疊加。但對增加功率而言，看來 20個(gè)二極管陣列更加現(xiàn)實(shí)，其輸出功率將 超過1200W。當(dāng)功率超過數(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，將是最首要的問題。1卩m高功率

8、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 400卩m,數(shù)值孔徑為0.46 （見圖3）?；谀?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 1kW的功率輸出。這種MOPA結(jié)構(gòu)的好處在于具有對不同輸入種子源的靈活性和 兼容性。美國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。1 kW amphBersignal1000 _85% slope300ef

9、ficiency600 - /400-*200- , *0 J f ii04008001200LAUNCHED PUMP630-450-:i measured,at 1 kWi270-.(尊I I I I 9 I i I n330 390 450 510 570 630mm1kW amplifier: 1kW 放大器sig nal :信號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

10、激光器設(shè)計(jì)的主要優(yōu)點(diǎn)目前的千瓦級光纖放大器已在8GHz線寬下進(jìn)行了測試，隨著受激布里淵散射 技術(shù)被應(yīng)用到更高的功率水平，千瓦級光纖放大器很可能將實(shí)現(xiàn)單頻線寬輸出。盡 管對于很多工業(yè)材料加工來講，線寬和偏振的控制并不重要，但是對于很多軍事應(yīng) 用（光束疊加）來講，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

11、激光器最近，大多數(shù)高功率光纖激光器的開發(fā)都使用摻鐿光纖，泵浦波長在 9xxnm，輸出波長大約在1080nm。然而，對于，工作在人眼安全波段（波長約大 于1.4卩m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2卩m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（見圖4）。Output power (W)120總嘰slope10080604020004080120160200Launched

12、pump power (W)Launched pump powe: 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 20W，耦合到直徑為105卩m勺光纖中，電光效率高達(dá)超過 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. Edgec