| cyqdesign | 2009-03-30 19:55 |
激光二極管技術(shù)推動光纖激光器向高功率發(fā)展最近，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1μm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2μm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100～200μm的光纖尾纖，其典型的數(shù)值孔徑為0.12～0.22。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）。  Seed laser：種子激光 Fiber-coupled pump modules：光纖耦合泵浦模塊（6 ×225W） （6＋1）to 1 combiner：（6＋1）進(jìn) 1 合束器 Yb-doped LMA fiber：摻鐿大模場面積光纖 High-power 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100μm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790～810nm的波長范圍內(nèi)，其功率小于10W。雖然目前單管至100/105μm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，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100μm的光纖中成為可能。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（MOPA）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200μm，上文中提到的高亮度多陣列模塊，可以作為構(gòu)建模塊（building 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200μm、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200μm的光纖實(shí)現(xiàn)超過200W的功率輸出（見圖2）。  Power 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200μm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200μm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）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200μm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0.1μm），對于一根直徑為200μm的光纖而言，理論上最多能實(shí)現(xiàn)30～40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。 1μm高功率光纖激光器 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400μm，數(shù)值孔徑為0.46（見圖3）�；谀K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。 | |