高功率光纤激光器研究现状分析ppt课件

1,高功率光纤激光器研究现状分析,2,内容目录,3,高功率光纤激光器要求,4,大模场激光光纤的研究,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,5,致力于大模场光纤的主要研究机构,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(UniversityofRochester)美国密执安大学(UniversityofMichian)德国耶拿大学(UniversityofJena)德国IPG光子公司英国南安普敦大学(UniversityofSouthampton)芬兰Liekki公司日本北海道大学(HokkaidoUniversity),6,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。,7,1.主要技术路线,8,1.1光纤的结构设计,9,1.1光纤的结构设计,几种纤芯的折射率分布,混合折射率分布,10,1.1光纤的结构设计,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，弯曲畸变少，但模面积偏小。,锥形分布,二次曲线分布,平坦模分布,纤芯的折射率分布影响模场特性,四层泄漏形分布,11,1.1光纤的结构设计,模面积变化（d50um）,同参数下，不同折射率分布相应的模场弯曲变化,12,1.1光纤的结构设计,几种纤芯的折射率分布对模场性能的影响,13,1.1光纤的结构设计,14,1.1光纤的结构设计,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,纤芯、包层折射率都变化,15,1.1光纤的结构设计,16,1.1光纤的结构设计,17,1.1光纤的结构设计,18,1.2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；光纤芯径比较小时，选模效果明显；,弯曲损耗曲线d30um,NA0.05,19,1.2模式选择控制,增益导引激光光纤中的模式由折射率差和增益分布共同作用决定；传统激光光纤增益作用微乎其微，而大模场光纤，折射率差小到103104,增益0.11/cm，增益导引与折射率导引共同作用。,20,1.2模式选择控制,增益导引增益影响模场分布,无增益:5194um2有增益：3868um2,21,1.2模式选择控制,增益导引增益分布与模式竞争能力i(z)模式与增益的重叠因子；g0小信号增益系数；Pi(z)第i个模式的功率；i(r,)模式场分布；I0(r,z)基模的饱和光强,22,1.2模式选择控制,增益导引增益分布与模式竞争能力低饱和时，LP01的增益最大，饱和加深，高阶模获得的增益超过基模,LP31模的增益是基模的2.5倍,高阶模相对填充因子与光强的关系NA=0.05,d=50um,=1,23,1.2模式选择控制,增益导引增益分布与模式竞争能力,50um芯径,100um芯径,阶跃光纤在不同掺杂下的相对增益系数与光强的关系,24,1.2模式选择控制,增益导引增益分布与模式竞争能力,不同掺杂下的功率分配,25,1.3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2100um2至3200um2；高阶模较低阶模的抗弯性强。,Ref.S.RamachandranOpt.Letters.31(12):1797-1799,LP07在Rbend=12.9、6.3、4.6cm时基本不变,26,现有技术途径的优缺点,27,内容目录,28,最新报道水平,最大的单模输出芯径：100umAculight公司，4.5MW最大有效模面积：4500um2耶拿大学，CW输出320W最高光纤激光功率IPG光子公司CW单模输出：2.5kW,CW多模输出：36kW最高脉冲峰值功率6MWLiekki公司,80um芯径,29,2.5kW单模光纤激光器的实验数据,光纤长15m，风冷却；两侧面泵浦，2kW；光纤温度最高值1200C；输出2kW时，M21.4；最大输出功率2.53kW；1.5kW以下，斜率75,IPG光子公司,30,2.1100um芯径棒型光子晶体光纤,预放级1:2m,25um芯径，YDDF预放级2:1.5m,40um芯径，PCF功放级:100um芯径，1.5mm包层,L=92cm，19个缺陷孔d/=0.19,MOPA结构,Aculight公司,31,2.1100um芯径棒型光子晶体光纤,32,2.2泄漏通道的孔助导光型光纤,33,2.2泄漏通道的孔助导光型光纤,Proc.ofSPIEVol.6453645316-1-645316-7，2007,34,2.3负折射率光纤,Ref.A.E.Siegman,J。Appl.Phy.Lett.2006，89:251101,依靠增益约束导光，实验上验证Siegman增益理论,美国佛罗里达中央大学进行了许多负折射率光纤激光器的实验,磷酸盐玻璃光纤灯泵浦平平腔结构,35,2.3负折射率光纤,100umCore，10%Nd-dopedncore-nClad=-nClad0.35%，ni104，L13cm，M22，P1.1mJ，光光效率30,100um光纤实验结果,36,2.3负折射率光纤,d增加，阈值降低；N增加，阈值降低,更大芯径光纤的实验结果,37,2.3负折射率光纤,根据波动理论，负折射率导引光纤里总可以存在泄漏模式，损失的能量主要是在纤芯包层界面上的透射。,反射率与入射角、折射率差的关系,增益光纤中光场的传播示意图,实验分析,38,2.3负折射率光纤,模场约束因子：f=96.2%或更小增益越小，越小全反射光纤：f=99%或更大,当增益能够补偿损耗的能量时，则泄漏模变成准导模,39,2.3负折射率光纤,阈值：,模增益阈值：,无量纲数G与N的关系,单模振荡条件：,激光振荡阈值：,由复值的波动方程及边界条件可确定,40,2.3负折射率光纤,按公式估算，100um芯径，n=-0.01,gth10.7/m,41,2.4螺旋形大模光纤,Ref.C.H.Liu1,G.Q.Chang,CLEO2007,CTuBB3,Chirally-CoupledCorefiber美国密西根大学单模截止V参数大于2.405通过相速度匹配，高阶中央芯模耦合到螺旋芯中，以高损耗泄漏。,3050umCoreNA0.0650.07,42,2.5高阶模谐振耦合泄漏光纤,Ref.John.M.FiniOpt.Express.13(25):10022-10033，2006,43,2.6高阶模光纤,44,2.7高功率倍频光纤,1062nm基频光1ns,0.6mJ9.6kHz重频M2of1.2520dB偏振消光比,MOFAwith3mDC-200-41-PZ-Yb,45,2.7高功率倍频光纤,46,2.8高效率保偏大模场光纤,在传统保偏光纤的纤芯和包层之间加底座，铒镱双掺，光光效率30-40%,脉冲能量160uJ/pulse（峰值功率300W）；通过添加底座，使模式数大大减少。,47,各国研究情况对比,48,内容目录,3,目前面临困难,49,3.目前面临困难,3.1弯曲损耗、模场畸变问题弱导光纤的弯曲损耗大，允许弯曲的半径偏大，弯曲只能滤除部分高阶模,50,3.目前面临困难,3.1弯曲损耗、模场畸变问题弯曲引起严重模场畸变，模面积压缩、模场偏移、模式耦合加剧等，使原本大模场的设计失去意义；,86um芯径,弯曲后，模面积从2300um2下降到750um2，折射率差越小、芯径越大，畸变越严重,弯曲时的基模场,弯曲前的基模场,51,3.目前面临困难,3.1弯曲损耗、模场畸变问题弯曲敏感度因折射率分布而不同；,耦合系数为普通光纤的几百几千倍，基模较多能量被耦合消耗。,52,3.目前面临困难,3.1弯曲损耗、模场畸变问题弯曲引起模式的竞争能力改变；,与增益重叠最大的基模弯曲后可能小于高阶模的重叠因子，失去竞争优势,弯曲前,弯曲后,掺杂曲线,折射率分布,53,3.目前面临困难,3.1弯曲损耗、模场畸变问题弯曲引起非线性效应阈值下降，大模场光纤弯曲效果更明显；,SRS受弯曲影响,SPM受弯曲影响,54,3.目前面临困难,3.2增益导引问题考虑增益作用时的激光速率方程，模式的竞争能力由因子描述；,55,3.目前面临困难,3.2增益导引问题因子沿传播方向变化，与光强、泵浦功率有关；损耗系数、耦合系数随光场也发生变化；弯曲畸变、模场压缩程度的描述困难；调Q脉冲激光器，需考虑增益恢复的等效荧光寿命；方程组变得复杂，很难合理求解。,56,3.目前面临困难,3.3热效应问题kW级以上光纤激光器的纤芯温度通常达到1000C以上；石英光纤的热光系数6.310-6,热效应引起的折射率变化与大模场设计的折射率差在同一数量级，同样会破坏大模场的设计；热透镜可加强对模场的约束，也使光纤损伤的可能性增加。,双端泵浦的光纤激光器沿轴向的温度分布,57,3.目前