1、高功率光纖激光器研究現(xiàn)狀分析高功率光纖激光器研究現(xiàn)狀分析第1頁(yè)2內(nèi)容目錄123主要技術(shù)路線(xiàn) 最新研究進(jìn)展當(dāng)前面臨困難高功率光纖激光器研究現(xiàn)狀分析第2頁(yè)3高損傷閾值優(yōu)良導(dǎo)熱率全玻璃光纖短光纖高泵浦吸收率高數(shù)值孔徑高功率光纖激光器要求高非線(xiàn)性閾值高功率激光大模場(chǎng)光纖大模場(chǎng)光纖包層小高功率光纖激光器研究現(xiàn)狀分析第3頁(yè)4大模場(chǎng)激光光纖研究研究目標(biāo)增大模場(chǎng)面積 提升光束質(zhì)量提升輸出功率增加穩(wěn)定特征高功率光纖激光器研究現(xiàn)狀分析第4頁(yè)5致力于大模場(chǎng)光纖主要研究機(jī)構(gòu)美國(guó)能源部Sandia國(guó)家試驗(yàn)室美國(guó)Aculight 企業(yè)美國(guó)OFS試驗(yàn)室美國(guó)羅切斯特大學(xué)(University of Rochester)美國(guó)密

2、執(zhí)安大學(xué)(University of Michian)德國(guó)耶拿大學(xué)(University of Jena)德國(guó)IPG光子企業(yè)英國(guó)南安普敦大學(xué)(University of Southampton)芬蘭Liekki企業(yè)日本北海道大學(xué)(Hokkaido University)高功率光纖激光器研究現(xiàn)狀分析第5頁(yè)6研究總體思緒 立足于光纖結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，經(jīng)過(guò)改變纖芯或包層折射率分布，降低等效折射率差，并改進(jìn)纖芯摻雜分布，突出基模增益優(yōu)勢(shì)，到達(dá)增大模場(chǎng)面積、抑制高階模目標(biāo)，同時(shí)借助于外部選模方式、模式轉(zhuǎn)換等機(jī)制，有效濾除高階模，實(shí)現(xiàn)單模輸出，并確保系統(tǒng)穩(wěn)定工作。高功率光纖激光器研究現(xiàn)狀分析第6頁(yè)71. 主要技術(shù)

3、路線(xiàn)模式選擇控制多模光纖彎曲選模泄漏選模模式轉(zhuǎn)換法基模光纖高階模光纖基模光纖多模光纖輸出單模光纖結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)多模光纖復(fù)合導(dǎo)引光纖光子晶體光纖單模光纖大模面積大模面積 基模高功率光纖激光器研究現(xiàn)狀分析第7頁(yè)8 1.1 光纖結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)包層折射率改變纖芯折射率改變折射率和摻雜分布改變光子晶體結(jié)構(gòu)結(jié)構(gòu)可準(zhǔn)確調(diào)整，含有特殊性質(zhì)高功率光纖激光器研究現(xiàn)狀分析第8頁(yè)91.1 光纖結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 幾個(gè)纖芯折射率分布混合折射率分布平坦模分布錐形分布二次曲線(xiàn)分布 階躍分布高功率光纖激光器研究現(xiàn)狀分析第9頁(yè)101.1 光纖結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 高折射率區(qū)分布偏離軸心，有利于增加模場(chǎng)面積，但模場(chǎng)約束能力下降，彎曲引發(fā)畸變嚴(yán)重； 高折射率區(qū)越趨

4、向中心，模場(chǎng)抗彎性加強(qiáng)，彎曲畸變少，但模面積偏小。 錐形分布二次曲線(xiàn)分布平坦模分布 纖芯折射率分布影響模場(chǎng)特征四層泄漏形分布高功率光纖激光器研究現(xiàn)狀分析第10頁(yè)111.1 光纖結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)橫截面折射率分布不彎曲時(shí)模面積 (um2)彎曲后模面積 (um2)壓縮率 平坦模分布（FM)26455175.12 階躍分布（SIF）11425422.11 錐形分布 （CF）6176001.03 二次曲線(xiàn)分布 (PF)4014001.00模面積改變（d50um） 同參數(shù)下，不一樣折射率分布對(duì)應(yīng)模場(chǎng)彎曲改變高功率光纖激光器研究現(xiàn)狀分析第11頁(yè)121.1 光纖結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)權(quán)衡各原因影響混合型折射率分布 幾個(gè)纖芯折射率分

5、布對(duì)模場(chǎng)性能影響高功率光纖激光器研究現(xiàn)狀分析第12頁(yè)131.1 光纖結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)三包層結(jié)構(gòu)耦合泄漏結(jié)構(gòu)光子晶體結(jié)構(gòu) 包層折射率改變泄漏結(jié)構(gòu)高功率光纖激光器研究現(xiàn)狀分析第13頁(yè)141.1 光纖結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)要實(shí)現(xiàn)低折射率差，要求d/很小，孔輕易坍塌，纖芯摻細(xì)絲，降低纖芯折射率 纖芯、包層折射率都改變高功率光纖激光器研究現(xiàn)狀分析第14頁(yè)151.1 光纖結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)抑制型三包層結(jié)構(gòu)復(fù)合結(jié)構(gòu) 折射率和摻雜分布改變高功率光纖激光器研究現(xiàn)狀分析第15頁(yè)161.1 光纖結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)光纖結(jié)構(gòu)確實(shí)定需權(quán)衡5個(gè)原因影響 大基模場(chǎng)面積 彎曲模場(chǎng)畸變程度 工作敏感性 高低階模損耗差 折射率差在可加工范圍內(nèi)高功率光纖激光器研究現(xiàn)狀分析第

6、16頁(yè)171.1 光纖結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 光子晶體光纖調(diào)整空氣孔間距、大小、填充率等參數(shù)，取得低損耗大模光纖Aeff = 1417um2 =20um, d /=0.451, d1 /=0.95, d2 /=0.51, 高階模約束損耗 1dB/m, 彎曲半徑： R=5cm高功率光纖激光器研究現(xiàn)狀分析第17頁(yè)181.2 模式選擇控制 彎曲選模光纖激光器往往在彎曲情況下使用，最簡(jiǎn)單、最常見(jiàn)選模方式是彎曲損耗選模； 光纖彎曲后，導(dǎo)模變?yōu)樾孤┠Ｉ踔凛椛淠?，發(fā)生沿彎曲半徑方向能量輻射, 引發(fā)高低階模不一樣程度彎曲損耗； 光纖芯徑比較小時(shí)，選模效果顯著；彎曲損耗曲線(xiàn) d30um, NA0.05耦合系數(shù) ( dB/m

7、)彎曲時(shí)半徑 ( m )高功率光纖激光器研究現(xiàn)狀分析第18頁(yè)191.2 模式選擇控制 增益導(dǎo)引激光光纖中模式由折射率差和增益分布共同作用決定；傳統(tǒng)激光光纖增益作用微乎其微，而大模場(chǎng)光纖，折射率差小到103104, 增益0.11/cm，增益導(dǎo)引與折射率導(dǎo)引共同作用。 高功率光纖激光器研究現(xiàn)狀分析第19頁(yè)201.2 模式選擇控制 增益導(dǎo)引增益影響模場(chǎng)分布無(wú)增益 : 5194 um2有增益：3868 um2高功率光纖激光器研究現(xiàn)狀分析第20頁(yè)211.2 模式選擇控制 增益導(dǎo)引增益分布與模式競(jìng)爭(zhēng)能力i(z) 模式與增益重合因子；g0 小信號(hào)增益系數(shù)；Pi(z) 第i個(gè)模式功率；i(r,) 模式場(chǎng)分布；

8、I0(r,z) 基模飽和光強(qiáng)高功率光纖激光器研究現(xiàn)狀分析第21頁(yè)221.2 模式選擇控制 增益導(dǎo)引增益分布與模式競(jìng)爭(zhēng)能力低飽和時(shí)， LP01增益最大，飽和加深， 高階模取得增益超出基模LP31模增益是基模2.5倍高階模相對(duì)填充因子與光強(qiáng)關(guān)系NA=0.05, d=50um, =1高功率光纖激光器研究現(xiàn)狀分析第22頁(yè)231.2 模式選擇控制 增益導(dǎo)引增益分布與模式競(jìng)爭(zhēng)能力50um芯徑100um芯徑階躍光纖在不一樣摻雜下相對(duì)增益系數(shù)與光強(qiáng)關(guān)系60填充最正確高功率光纖激光器研究現(xiàn)狀分析第23頁(yè)241.2 模式選擇控制 增益導(dǎo)引增益分布與模式競(jìng)爭(zhēng)能力不一樣摻雜下功率分配高功率光纖激光器研究現(xiàn)狀分析第24

9、頁(yè)251.3 模式轉(zhuǎn)換 經(jīng)過(guò)模式耦合，實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)換模場(chǎng)主要以面積較大高階模形式存在，模面積到達(dá)2100 um2至3200 um2；高階模較低階模抗彎性強(qiáng)。Ref. S. Ramachandran Opt. Letters. 31(12):1797-1799LP07在 Rbend=12.9、6.3、4.6cm 時(shí)基礎(chǔ)不變高功率光纖激光器研究現(xiàn)狀分析第25頁(yè)26現(xiàn)有技術(shù)路徑優(yōu)缺點(diǎn)大模面積實(shí)現(xiàn)方法缺點(diǎn)優(yōu)點(diǎn)模式轉(zhuǎn)換 高階模光纖模面積很大,穩(wěn)定性好對(duì)摻雜工藝要求高，需高摻雜轉(zhuǎn)換效率高，全玻璃化無(wú)嚴(yán)格導(dǎo)模，高階模損耗小泵浦光吸收率低，加工要準(zhǔn)確模式競(jìng)爭(zhēng)不穩(wěn)，一致性要求高增益導(dǎo)引光纖短棒型孔助導(dǎo)引型諧振泄漏型多

10、芯結(jié)構(gòu)型光子晶體光纖大基模場(chǎng)設(shè)計(jì)模面積大,穩(wěn)定性好怕彎，熱效應(yīng)管理困難結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，穩(wěn)定性好折射率差可大可小,穩(wěn)定功率提升空間大,光束質(zhì)量好受限于光纖光柵性能，加工難，會(huì)激勵(lì)無(wú)須要模式彎曲損耗選模方法簡(jiǎn)單，效果顯著泄漏選模選?？刂乒β柿魇?，引發(fā)場(chǎng)畸變高低階模損耗差大加工困難，選模有限高功率光纖激光器研究現(xiàn)狀分析第26頁(yè)27內(nèi)容目錄2最新研究進(jìn)展13主要技術(shù)路線(xiàn) 當(dāng)前面臨困難2.1 100um芯徑棒型光子晶體光纖2.2 泄漏通道孔助導(dǎo)光型光纖2.3 負(fù)折射率光纖2.8 高效率保偏大模場(chǎng)光纖2.5 高階模諧振耦合泄漏光纖2.6 高階模光纖2.4 螺旋形大模光纖2.7 高功率倍頻光纖高功率光纖激光器研究

11、現(xiàn)狀分析第27頁(yè)28最新報(bào)道水平最大單模輸出芯徑：100umAculight 企業(yè)，4.5MW最大有效模面積：4500um2耶拿大學(xué)， CW輸出320W最高光纖激光功率 IPG 光子企業(yè)CW單模輸出：2.5kW, CW多模輸出：36kW最高脈沖峰值功率 6MWLiekki企業(yè), 80um芯徑高功率光纖激光器研究現(xiàn)狀分析第28頁(yè)292.5 kW 單模光纖激光器試驗(yàn)數(shù)據(jù)輸出功率 ( dB/m )泵浦功率 ( W)光纖長(zhǎng)15m，風(fēng)冷卻；兩側(cè)面泵浦，2kW；光纖溫度最高值 1200C；輸出2kW時(shí)，M21.4；最大輸出功率2.53kW；1.5kW以下，斜率75 IPG光子企業(yè)高功率光纖激光器研究現(xiàn)狀分

12、析第29頁(yè)302.1 100um芯徑棒型光子晶體光纖預(yù)放級(jí) 1: 2m, 25um 芯徑，YDDF預(yù)放級(jí) 2: 1.5m, 40um 芯徑，PCF功放級(jí): 100um 芯徑，1.5mm 包層, L=92cm ，19 個(gè)缺點(diǎn)孔 d/=0.19 MOPA結(jié)構(gòu) Aculight 企業(yè)高功率光纖激光器研究現(xiàn)狀分析第30頁(yè)312. 1 100um芯徑棒型光子晶體光纖M21.3, Epulse= 4.3mJPpeak = 4.5M W 光光效率=60% 缺點(diǎn)：怕彎；深入增大芯徑，波導(dǎo) 約束失去意義，過(guò)渡到普通固體激 光器，面臨嚴(yán)重?zé)嵝?yīng)問(wèn)題。不一樣芯徑光纖試驗(yàn)結(jié)果對(duì)比70um芯徑光纖試驗(yàn)結(jié)果高功率光纖激光

13、器研究現(xiàn)狀分析第31頁(yè)322.2 泄漏通道孔助導(dǎo)光型光纖Aeff 3160 um2 , M2 1.3, d / 0.82, Rbend=8.5cmRef. Liang Dong Opt. Express. 14(24):11512-11519，孔之間間隙為高階模泄漏通道，依靠對(duì)不一樣模式約束損耗差異進(jìn)行選模，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，穩(wěn)定性好，易做成保偏光纖。高功率光纖激光器研究現(xiàn)狀分析第32頁(yè)332.2 泄漏通道孔助導(dǎo)光型光纖 Proc. of SPIE Vol. 6453 645316-1-645316-7，d=50um, Aeff 1400 um2 , M2 1.2, =84%, 保偏光纖 不存在嚴(yán)格意

14、義上導(dǎo)模，高階模約束損耗0.02dB/m高功率光纖激光器研究現(xiàn)狀分析第33頁(yè)342.3 負(fù)折射率光纖Ref. A. E. Siegman, J。Appl. Phy. Lett. ，89: 251101依靠增益約束導(dǎo)光，試驗(yàn)上驗(yàn)證Siegman增益理論 美國(guó)佛羅里達(dá)中央大學(xué)進(jìn)行了許多負(fù)折射率光纖激光器試驗(yàn)磷酸鹽玻璃光纖 燈泵浦平平腔結(jié)構(gòu)高功率光纖激光器研究現(xiàn)狀分析第34頁(yè)352.3 負(fù)折射率光纖100um Core，10% Nd-doped ncore-nClad=-n Clad0.35%，ni104 ，L13cm，M2 2 ，P 1.1 mJ ，光光效率30100um光纖試驗(yàn)結(jié)果高功率光纖激光

15、器研究現(xiàn)狀分析第35頁(yè)362.3 負(fù)折射率光纖d(um) 100 0.14060.35064%10%4%0.01981.510%200 0.01760.044665%75%75%0.01781.210%300 0.00520.013288%91%90%0.00651.8400 0.00220.005695%96%95%0.002520dB高功率光纖激光器研究現(xiàn)狀分析第45頁(yè)462.8 高效率保偏大模場(chǎng)光纖在傳統(tǒng)保偏光纖纖芯和包層之間加底座，鉺鐿雙摻，光光效率30-40%,脈沖能量160uJ/pulse（峰值功率300W）；經(jīng)過(guò)添加底座，使模式數(shù)大大降低。高功率光纖激光器研究現(xiàn)狀分析第46頁(yè)47

16、各國(guó)研究情況對(duì)比國(guó)家 主要研究機(jī)構(gòu) 最大模面積最大芯徑光纖結(jié)構(gòu) 美國(guó) Sandia, OFS, Aculight3200um280um高階模光纖 英國(guó) Southampton40um螺旋型纖芯 德國(guó) University of Jena4500um2100um短棒型PCF 日本 Hokkaido University1417um2高階模諧振泄漏PCF 丹麥 NKT24um短棒型PCF 加拿大INO20um三包層光纖高功率光纖激光器研究現(xiàn)狀分析第47頁(yè)48內(nèi)容目錄312主要技術(shù)路線(xiàn) 最新研究進(jìn)展當(dāng)前面臨困難高功率光纖激光器研究現(xiàn)狀分析第48頁(yè)493. 當(dāng)前面臨困難 3.1 彎曲損耗、模場(chǎng)畸變問(wèn)題

17、弱導(dǎo)光纖彎曲損耗大，允許彎曲半徑偏大，彎曲只能濾除個(gè)別高階模高功率光纖激光器研究現(xiàn)狀分析第49頁(yè)503. 當(dāng)前面臨困難 3.1 彎曲損耗、模場(chǎng)畸變問(wèn)題彎曲引發(fā)嚴(yán)重模場(chǎng)畸變，模面積壓縮、模場(chǎng)偏移、模式耦合加劇等，使原本大模場(chǎng)設(shè)計(jì)失去意義；86um芯徑,彎曲后，模面積從2300um2下降到750 um2，折射率差越小、芯徑越大，畸變?cè)絿?yán)重彎曲時(shí)基模場(chǎng)彎曲前基模場(chǎng)高功率光纖激光器研究現(xiàn)狀分析第50頁(yè)513. 當(dāng)前面臨困難 3.1 彎曲損耗、模場(chǎng)畸變問(wèn)題彎曲敏感度因折射率分布而不一樣；耦合系數(shù)為普通光纖幾百幾千倍，基模較多能量被耦合消耗。高功率光纖激光器研究現(xiàn)狀分析第51頁(yè)523. 當(dāng)前面臨困難 3.

18、1 彎曲損耗、模場(chǎng)畸變問(wèn)題彎曲引發(fā)模式競(jìng)爭(zhēng)能力改變；與增益重合最大基模彎曲后可能小于高階模重合因子，失去競(jìng)爭(zhēng)優(yōu)勢(shì)彎曲前彎曲后摻雜曲線(xiàn)折射率分布高功率光纖激光器研究現(xiàn)狀分析第52頁(yè)533. 當(dāng)前面臨困難 3.1 彎曲損耗、模場(chǎng)畸變問(wèn)題彎曲引發(fā)非線(xiàn)性效應(yīng)閾值下降，大模場(chǎng)光纖彎曲效果更顯著；SRS受彎曲影響SPM受彎曲影響高功率光纖激光器研究現(xiàn)狀分析第53頁(yè)543. 當(dāng)前面臨困難 3.2 增益導(dǎo)引問(wèn)題考慮增益作用時(shí)激光速率方程，模式競(jìng)爭(zhēng)能力由因子描述；高功率光纖激光器研究現(xiàn)狀分析第54頁(yè)553. 當(dāng)前面臨困難 3.2 增益導(dǎo)引問(wèn)題因子沿傳輸方向改變，與光強(qiáng)、泵浦功率相關(guān)；損耗系數(shù)、耦合系數(shù)隨光場(chǎng)也發(fā)生改變；彎曲畸變、模場(chǎng)壓縮程度描述困難；調(diào)Q脈沖激光器，需考慮增益恢復(fù)等效熒光壽命；方程組變得復(fù)雜，極難合理求解。高功率光纖激光器研究現(xiàn)狀分析第55頁(yè)563. 當(dāng)前面臨困難 3.3 熱效應(yīng)問(wèn)題kW級(jí)以上光纖激光器纖芯溫度通常到達(dá)1000C以上；石英光纖熱光系數(shù)6.310-6, 熱效應(yīng)引發(fā)折射率改變與大模場(chǎng)設(shè)計(jì)折射率差在同一數(shù)量級(jí)，一