脈沖光纖激光器的峰值功率極限

時間:2022-01-20 17:07來源:光至科技作者:wuping 點擊:
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摘要:1 .1 引言 更高的功率、更短的脈沖、更強的亮度是激光器技術發展不變的追求。在脈沖激光器工業應用中,短脈沖、高峰值對材料加工效果有重要影響。光纖激光器相比固體激光器而言,在平均功率上更具優勢,在峰值功率上則受到明顯的限制。長期以來光纖脈沖激光器的脈寬局限在ns以上,峰值15kW以內,以100ns1mJ為標準。 光至科技自成立以來,以光照萬物,至誠致遠為發展愿景

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1.1 引言

更高的功率、更短的脈沖、更強的亮度是激光器技術發展不變的追求。在脈沖激光器工業應用中,短脈沖、高峰值對材料加工效果有重要影響。光纖激光器相比固體激光器而言,在平均功率上更具優勢,在峰值功率上則受到明顯的限制。長期以來光纖脈沖激光器的脈寬局限在ns以上,峰值15kW以內,以100ns 1mJ為標準。

光至科技自成立以來,以“光照萬物,至誠致遠”為發展愿景和價值理念,以創新創造價值為生存之本,專注于光纖脈沖激光器的品質提升。光至科技自2019年推出GT系列MOPA脈沖激光器以來,歷經多輪迭代,不斷完善,將激光器的峰值功率推升到150kW以上,脈沖寬度延伸到200ps以下,高功率光束質量優化到1.4以內,為光纖MOPA脈沖激光器開拓了無損標記、玻璃打孔、極片切割以及薄片金屬高強度焊接等的應用場景和極致的加工體驗。

圖1 光至科技200W GT系列MOPA脈沖激光器

2提高脈沖峰值功率的方法

如圖2所示的激光脈沖序列中,峰值功率等于脈沖能量除以脈沖寬度,因此在同等能量條件下,縮短脈沖寬度可以大大增加峰值功率,同等脈寬條件下,提高峰值則可以增加脈沖能量。目前主流工業市場上固體脈沖激光器中,納秒級脈寬的激光器能量可達mJ級,以1mJ能量10ns脈寬計算,峰值功率可達100kW。皮秒脈沖激光器能量在300μJ左右,以10ps計算,峰值功率可達30MW。飛秒脈沖激光器能量以100μJ,脈寬500fs計算,則峰值功率達到200MW。作為比較,常規的MOPA納秒脈沖激光器的峰值功率在10kW左右,遠低于固體激光器的指標。

圖2 脈沖寬度與峰值功率

3. 提高光纖脈沖峰值功率的受限因素

圖3給出了大模場單芯光纖的輸出能力受限因素分解框圖。主要的受限因素包括5項:負載能力受限、B 積分受限、提取效率受限、光束質量受限以及偏振態受限。在圖3給出的各種物理機制的解決方法分屬于不同的設計層級,具體包括:基質材料、增大模場、導模結構和偏振結構屬于光纖設計層級,圖中以藍色框表示;端面戴帽擴束、模式激發、模式濾波屬于器件設計層級,圖中以橙色框表示;泵浦方式、隔離濾波和偏振控制屬于單元設計的層級,圖中以綠色框表示;增大帶寬、脈寬選擇、重頻選擇和增益分配則屬于系統設計層級,圖中以紫色框表示。除了上述5項之外,在連續高功率光纖激光器中需要考慮的熱效應并未在此列出,因為我們追求的高峰值功率光纖放大器中,平均功率遠遠低于熱效應能夠發揮顯著作用的范疇,在此不做討論。

圖3 脈沖光纖激光器峰值功率受限因素分析

負載能力受限以激光強度度量,物理機制包括體損傷和面損傷,其中面損傷可以通過端面戴帽技術予以避免,體損傷則受限于光纖基質材料特性,為極限受限因素。典型地,光強閾值約為4.75kW/µm2,對 50µm 的模場直徑,對應的損傷功率閾值達到 9.3MW,已經遠超過目前脈沖光纖激光器芯內峰值功率的水平,也高于自聚焦閾值功率,因此,體損傷目前還不是需要考慮的問題。

提取效率主要受限于自發輻射放大(ASE),受限于多級放大器的增益分配,級內則受限于脈沖的占空比。特別是在亞納秒短脈沖放大條件下,ASE直接限制了脈沖能量的提升,也限制峰值功率的提升。不過ASE的限制可以通過合理設計多級放大器,優化級間增益分配和泵浦方式來抑制,另外還可以通過光譜濾波和聲光濾波的方式減少傳導到后級的ASE成分。合理的級間增益分配還有助于抑制脈沖增益飽和問題,獲得更加完美的脈沖波形。

光束質量受限以光束質量因子 M2 度量,為獲得基模輸出主要是要通過光波導導模結構設計以保證單?;蛘呱倌_\轉,在此基礎上輔助以不同芯徑光纖熔接時模式激發控制以及光纖盤繞等模式濾波手段來改善光束質量。目前能夠保證高光束質量輸出的常規光纖就是30/250,光子晶體等特殊光纖的纖芯可以擴大到100µm左右。這種模場尺寸相比工業固體激光器毫米級的光斑尺寸仍然太小,后面提到的諸多非線性效應都跟B積分有關,而B積分是反比于模場面積的。

偏振態受限以偏振度度量,物理機制主要是光纖波導的偏振特性。在普通的雙包層光纖中,線偏振光會發生退偏,且退偏度對彎曲和環境參數敏感,難以保持穩定的偏振態輸出。同樣條件下,偏振光一般比非偏振光的峰值功率閾值低一半,因為非偏振光可以分解為兩個正交的非偏振光分量。

在脈沖光纖激光器中,影響峰值功率最重要的因素是B積分,也就是光纖中的非線性相位偏移量,B積分的定義如下:

可見,B積分正比于功率隨光纖長度的積分,同時與模場直徑和激光波長成反比。

光纖中的三階非線性效應可以分為兩大類:一類是光強誘導的折射率調制效應,包括自相位調制(SPM)、交叉相位調制(Cross-Phase Modulation:XPM)、調制不穩定性(Modulation Instability: MI)、四波混頻(Four-Wave Mixing:FWM)以及自聚焦(Self-Focusing: SF)等;另一類是非彈性光散射效應,涉及光子與基質材料晶格振動之間的能量交換,包括受激布里淵散射(SBS)和受激拉曼散射(SRS)。這其中,最高的限制取決于自聚焦閾值,對光纖材料而言,這個值大概在4MW的水平。在自聚焦閾值之下,受激拉曼散射是最重要的限制,因為拉曼光相比基頻光的光譜頻移量高達60nm,拉曼成分過高會嚴重影響隔離器磁光晶體的作用,也會給鏡頭帶來很大的色差。圖4給出了光纖內峰值功率超過自聚焦閾值時產生的自聚焦成絲的演化過程。

圖4 功率為 2倍自聚焦閾值功率(8MW)下,在(圖a)80µm和(圖b)200µm芯徑光纖中LP02 模式的光強分布

4提高光纖脈沖激光峰值功率的應用

在深刻理解脈沖光纖激光器峰值功率提升受限物理限制的前提下,通過綜合優化光纖選型、放大器設計和關鍵器件定制,光至科技推出了全系列GT高峰值功率脈沖MOPA激光器產品,實現了從200ps到50ns的短脈沖高峰值放大,從20W到200W平均功率全覆蓋,峰值功率包括GT30、GT60、GT100、GT150等多個規格。

光至針對陽極鋁打黑推出的20W GMX,脈寬低至500ps,峰值約40kW,同等打黑效果下效率能較普通MOPA 20W提升1~3倍,極具性價比。

圖5 200ps,速度從1000mm/s增加至10000mm/s效果

圖6  不同脈寬下黑度值與雕刻速度的關系

針對玻璃打孔,光至推出的GT系列產品,功率從80W到200W,峰值100kW,可以實現多種玻璃70mm以內的切孔,這突破了超短及綠光光源才能做的應用,將玻璃切割設備成本大幅度降低。

圖7 100W GT切割3mm玻璃70mm孔

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【光粒網綜合報道】( 責任編輯:wuping )
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