激光二极管技术推动光纤激光器向高功率发展混合设备

激光二极管技术推动光纤激光器向高功率发展

激光二极管技术推动光纤激光器向高功率发展 2011年12月03日 来源： 随着高亮度泵浦激光二极管的发展，特别是泵浦半导体材料本身更高的效率使每个发光点具备了更高的功率，加上在将激光二极管能量耦合进传输光纤领域所取得的创新，所有这些进步都在促使光纤激光器向着更高的功率水平迈进。最近，高功率光纤激光器技术所取得的进展与高亮度光纤耦合激光二极管的进步紧密相关。今天，基于标准商用光纤、组件和976nm激光二极管，实现输出波长为1μm的千瓦级光纤激光器已经成为可能。人眼安全光纤激光器技术的发展，表明基于掺铥光纤和790nm泵浦激光二极管技术，将来很可能在2μm处实现千瓦级光纤激光器。高功率激光二极管泵浦模块激光二极管泵浦模块与光纤激光器间的常用接口是直径100～200μm的光纤尾纤，其典型的数值孔径为0.12～0.22。这些二极管尾纤通常被接入光纤合束器，以进一步提高泵浦功率（见图1）。

Seed laser：种子激光Fiber-coupled pump modules：光纤耦合泵浦模块（6 ×225W）（6＋1）to 1 combiner：（6＋1）进 1 合束器Yb-doped LMA fiber：掺镱大模场面积光纤High-power endcap assembly and collimator：高功率输出与准直器图1：基于商用光纤、组件和泵浦二极管的1kW主振荡功率放大（MOPA）光纤激光器系统。

长期以来，直径100μm的光纤仅用于耦合激光二极管单管。在超过900nm的波长范围内，光纤耦合单管的功率水平已经稳步增加到10W以上，但在790～810nm的波长范围内，其功率小于10W。虽然目前单管至100/105μm光纤的耦合效率达90%以上，但由于单管在垂直方向上并未填满光纤（理论因子为10～20），这使得这种方式在亮度和光纤耦合功率方面都没有达到最大值。千瓦级高功率光纤激光器正在加快发展，随着输出功率的提高，这就需要更高亮度的泵浦模块，随之也就需要多个发光点的二极管阵列。这些新型高亮度二极管阵列具有增加的腔长，并与高亮度匹配微光学元件相结合，使单阵列中的多个发光点耦合入直径100μm的光纤中成为可能。使用这种方法的最新成果展示通过一种牢固可靠的、经过工业验证的装置中获得了50W的功率输出，其理论功率极限超过100W。由于采用这种阵列，这种设计实现了790nm波长范围内的高亮度模块（如5mm阵列输出20W，10mm阵列输出40W）。通过波长锁定和对光纤激光器的背反射光进行保护，可以往模块中加入自由空间光学系统。为了实现千瓦级的输出功率，光纤激光采用主振荡功率放大（MOPA）结构，这需要具有更高功率（大于200W）的泵浦模块。由于这种设计中使用的光纤的直径可以增加到200μm，上文中提到的高亮度多阵列模块，可以作为构建模块（building block）以提高功率。通过光学叠加和偏振耦合，可将多个单元（6至10个）耦合到单根直径为200μm、数值孔径为0.2的光纤中。激光二极管产生的热量通过一个大的铜制热沉散发出去，从而可以使用工业用水或高性能半导体制冷器进行冷却，而不需要使用冷却微通道叠层所需的去离子水。一个具有四个激光二极管阵列的976nm光纤耦合模块，能通过200μm的光纤实现超过200W的功率输出（见图2）。

Power P(W)：功率P（W）Voltage U（V）：电压 U（V）图2： 200W 976nm光纤耦合模块由四个激光二极管阵列耦合到200μm的光纤中（上图）

为了获得更加高的功率，并降低成本和增加亮度，需要对二极管激光器阵列进行优化，其中包括降低微光学系统的复杂性。2007年德国DILAS半导体激光公司的一种新型设计展示了通过200μm光纤耦合模块获得的500W功率输出，这种设计证实了填充因子（发光点截面尺寸除以间距）在10%范围内能实现两种重要特性：（1）由于消除了热干扰，每个发光点的输出功率与单管接近；（2）由于发光点截面尺寸和间距之比为1：10，因此在慢轴方向（水平方向）获得了优化的光束准直效果。通过将慢轴透镜阵列和一个快轴准直（FAC）透镜简单组合，单阵列的所有发光点都能耦合到一根直径为200μm的光纤中。通过合适的FAC透镜和低“smile效应”的阵列（水平偏差不超过0.1μm），对于一根直径为200μm的光纤而言，理论上最多能实现30～40个阵列的光学叠加。但对增加功率而言，看来20个二极管阵列更加现实，其输出功率将超过1200W。当功率超过数百瓦的时候，进入光纤的耦合效率和光纤连接器的散热，将是最首要的问题。1μm高功率光纤激光器基于商用光纤、泵浦合束器以及泵浦激光二极管的千瓦级高功率MOPA系统，可以实现225W的功率输出。[1]六个泵浦模块的总功率为1.2kW，并被组合入一个锥形光纤束，然后泵浦一根掺镱（Yb）双包层光纤，该光纤直径为400μm，数值孔径为0.46（见图3）。基于模块的高斜率效率泵浦，这种光纤激光器比较容易实现具有单模光束质量，超过1kW的功率输出。这种MOPA结构的好处在于具有对不同输入种子源的灵活性和兼容性。美国Nufern公司已经研发了这种放大器的保偏（PM）版，能提供比其他设计更窄的线宽。

1kW amplifier：1kW放大器signal：信号launched power：输出功率85% slope efficiency：85%的斜率效率M2=1.2 measured at 1kW：在1kW处测得M2=1.2图3：高转换效率（左图）、单模光束质量（右图）、保偏特性和窄线宽，是MOPA光纤激光器设计的主要优点

目前的千瓦级光纤放大器已在8GHz线宽下进行了测试，随着受激布里渊散射技术被应用到更高的功率水平，千瓦级光纤放大器很可能将实现单频线宽输出。尽管对于很多工业材料加工来讲，线宽和偏振的控制并不重要，但是对于很多军事应用（光束叠加）来讲，这两点是至关重要的。而且我们还发现，在相同的功率水平上，这些高功率放大级比它们的振荡器更加有效，不论是从激光二极管成本还是从总的功率转换效率来看，这都可称为一个优点。目前，高亮度976nm二极管的电光转换效率约为45%，由此获得的放大器总的电光转换效率约为35%。随着激光二极管材料的改进，电光转换效率还有望进一步提高。人眼安全光纤激光器最近，大多数高功率光纤激光器的开发都使用掺镱光纤，泵浦波长在9xxnm，输出波长大约在1080nm。然而，对于，工作在人眼安全波段（波长约大于1.4 μm）的高功率、高效率光纤激光器，也是军事、工业和医学应用感兴趣的话题。最近，工作在2μm左右的掺铥（Tm）光纤激光器所取得的进展，已经使单个光纤激光器的输出功率接近1kW。[2]实现上述1kW功率的关键在于：对泵浦掺铥光纤的790nm激光二极管进行优化，特别是要在较高的电光效率下实现所需的高功率和高亮度（见图4）。

Launched pump power：泵浦功率Output power：输出功率68% slope：68%的斜率效率图4：793nm的高亮度激光二极管的输出功率超过20W，耦合到直径为105μm的光纤中，电光效率高达超过40%。这种泵浦源加上Nufern公司有效的掺铥光纤技术（60%的斜率效率），使人眼安全光纤激光器首次达到25%的（功率转换）效率。

这种泵浦技术与高效率掺铥光纤的最新进展相结合，已经使人眼安全光纤激光器技术达到25%的（功率转换）效率。随着激光二极管材料的继续成熟，这些新工作波长的光纤激光器也将得到进一步的改进。参考文献：1. J. Edgecumbe et al., Proc. Directed Energy Professional Society SSDLTR, 193 (June 2008).2. P. Moulton et al., Lasers and Applications in Science and Engineering (LASE 2008), paper 6873-15 (2008).

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