多芯光纤激光器

多芯光纤拉制的工艺主要有两种:一种是在芯层玻璃的棒体上套上外包层的玻璃管,之后送入乳高温炉软化拉制成光纤;另一种是用预制棒直接在高温炉中加温软化拉制出光纤。

多芯光纤制作工艺与标准单芯光纤不同;主要有两种制作技术;第一种是多芯光纤嵌入光纤预制棒制作技术,此方法除了预制棒制作工艺不同外,其光纤拉制方法与普通标准光纤的拉制过程相同,第二种称为多相祸技术,每一个纤芯都是由独立的内坦祸中引出,纤芯的数目及对应位置分布通过纤芯内it祸来加以调整,外谢祸引出的是包层材料,这样多个内琳祸引出的被外播祸引出的包层包裹,共同拉出的即是所谓的多芯光纤。

此外还有介绍的一种是光子晶体光纤(Multicore photonic crystal fiber)它是一种常见的多芯光纤,制作多芯光子晶体光纤的方法与制作单模光子晶体光纤的(PCF)方法一样,都是先钻孔后堆积的制造,唯一不同之处在于预制棒横截面结构的设计,通过改变纤芯的位置分布或改变空气孔的比例可以获得具有不同亲合度的多芯光纤。

光纤结构的不同决定了多芯光纤输出不同的超模,多芯光纤超模模场分布和传输特性是多芯光纤研究和应用中最重要的问题。关于多芯光纤的超模模场分布的研究及理论分析已经有大量文献分析过,分析结果表明多芯光纤的输出模式是含有多个超级模式的混合模。

最常釆用的分析多芯光纤激光器的不同模式的理论是耦合模理论(Coupled, mode theory, CMT) 亲合模理论可以对纤芯之间的亲合过程进行解析的模拟仿真。如果多芯光纤各纤芯之间的亲合较强的话,可以用多模干涉法(Multimode Interference,对其进行分析。另外常用的有限元分析法(Finite element method, FEM)求解多芯光纤中传导的超模可以获得很髙的精确度,。此外还有基于有限差分光束传输法(Beam propagationmetllod, 的数谭方法吾模理论具有可行性和精确性等优点,适用于分析多芯的光纤结构,前面已经提到过它一般只适用于弱称合的情形,如果配合使用矢量亲合模理论(VCMT)可以获得更高精度的求解结果。已有可以模拟多芯光纤模场分布的软件Cortisol、Rsoft、BeamPROP等,这些软件可直接用来进行多芯光纤中模式传导的模拟。.

随着光纤激光器技术的发展,现在的光纤激光器的输出功率变化范厘非常大,可从毫瓦量级变化到千瓦量级,几百一千M至几牛千瓦的大功率激光器也成为研究研究。其应用范围也从原来单一的光通信领域扩展到医疗美容、工业生产、机械制造、材料处理、热核聚变、航空航天和国防军事等行业。

随着全光通信网络的发展,高功率光纤激光器和放大器能使光纤以更低的损耗传输、更长的距离传输信号,以实现远距离通信信号的无差错传输。激光焊接更具有牢固、精密、密封性好、易控制、胜任小尺寸以及结构复杂工作的优点。在辉接领域,激光燥接和烧结所需的功率为50 W到500 W,金属辉接和硬辉所需功率更高达20 kw。在军用领域,光纤激光器的输出功率至少要达到100 kw,且具有输出能量高度集中,射击无后座力,精准定位等优点。在医用方面,光纤激光器作为手术刀用于各种外科手术中,并已经取得广泛应用,如21 um掺铥光纤激光器经常用在显微外科手术中,而且近几年兴起的激光美容市场也非常火爆。在欧美等发达国家汽车零部件都使用激光加工,比如激光焊接和切割,市场份额高达约60%-75°%。在石油矿产领域,高功率光纤激光器也发挥着重要作用,2003年美国天然气技术研究所用5.34 kw高功率激光器进行井下射孔实验,证明了此种大功率光纤激光在合理操控下甚至能够击碎硬度很大的岩土类物质。光纤激光器与其他激光器相比具有光束质量高、泵浦效率高、稳定性强等优点,因而在市场上得到广泛应用,个科研机构和相关公司也不断投入以获得性能更加优良的光纤激光器

典型的光纤激光器是单芯光纤激光器,其光纤结构由外包层、内包层和纤芯构成。而多芯光纤则是在同一包层内含有多个纤芯,每个纤芯均工作在单模状态,一条光波导中集成了多个单芯光纤。多芯光纤的概念早在上世纪七十年代末就被提出,但是 发多芯光纤面临着光纤光缆的制造成本高和难以 发高密集度大芯数光缆两大难题。随着光纤制造技术的快速发展和不断完善,使得多芯光纤在制造过程中成本逐渐降低、机械强度和可靠性不断提高,开发多芯光纤所面临的难题得以解决,到上个世纪九十年代,多芯光纤才慢慢走向实用化阶段。多芯光纤除用于制作高密度光缆外,还应用于光纤滤波器、光纤传感器、光开关、光波分复用器、等光纤通信和光纤传感领。

D.R.Scifres在1996年因正式提出多芯光纤激光器的概念获得专利。相比较其他相千组束方法,多芯光纤激光器结构简单,输出功率高,纤芯间距离很近,通过减小纤芯间距等方式得到有效的调节和控制各纤芯之间的波耦合。

多芯光纤中同时存在多个模式,其中同相位模式的光束质量最好;我们通常采用各种选模方式,尽量提高同相位模式的输出功率,抑制其它模式的输出。因此模式选择问题成为多芯光纤激光器中的关键问题,常见的选模方法可归纳为以下五种:

1.塔尔伯特腔选模

塔尔伯特腔选模法是目前应用最广泛的一种很重要的选模方式。1836年Talbot发现当一束相干光束照射周期性排列的物体时,在传输方向存在周期性自映像现象,这种现象称为塔尔伯特(Talbot)效应。Talbot效应是一种特殊的Fresnel衍射现象。随着技术的不断发展,Talbot效应在光学技术中有了很重要的应用,比如精确检测光束的准直性、检验透镜像差、位相物体的变形等。

塔尔伯特腔(Talbot cavity)己广泛应用于多芯光纤光束合成的实验和研究中。近年来在多芯光纤激光器的研究中,基于塔尔伯特效应的选模方式在实验室研究中得验证,并在很多实际生产中得到广泛推广,且有大量相关报道。M.Wrage等人在多芯光纤尾端设置塔尔伯特腔,以实现对不同模式的定性选择。所采用的参数具体为:激光波长1060 nm、数值孔径=0.16,18芯光纤、二极管泉浦长为Im、改镜对波长为的反射率是56%。实验中通过移动腔镜的距离,选择出不同的超模,实现稳定的相位输出。Y.HUO等人对塔尔伯特腔选模方式进行进一步的分析与实验,对Talbot cavity中的竞争机制建立了理论模型,深入分析各个模式的模式竞争。2001年M.Mrage等人在以前塔尔伯特腔的基础上用微结构反射镜代替原来普通的平面反射镜,使超模选择效率进一步得到提高。

Talbot外腔锁相是一种基于发光单元的自再现的技术,和其他常规的外腔锁相技术相比具有腔的功率损耗相对较小、模式区分能力强等优点。其不足之处是腔长必须得到严格精确的控制,对精确度要求很高,实现起来比较复杂,而且容易受周围环境的影响。而且自由空间的塔尔伯特腔难以实现同相位超模的单模输出,线性选模非线性光学选模方式是指当抽运光功率超过一定阈值时,因为光纤内部本身存在的非线性光学效应,使得等距式多芯光纤光束以最好的质量,即(in-phase supermode)输出。它是由P.K.Chen等人提出的。

3.空间滤波选模法

2008年,MichaiUe等人采用空间滤波法对六芯光子晶体光纤进行选模,具体方法是在远场放置空间滤波孔,并通过适当调节孔的大小,调Q运转,最终获得脉宽为26 ns的窄脉冲输出,峰值功率高达90 kw。

4.自傅里叶腔选模法

在多芯光纤激光器选模方式的研究中,自傅里叶腔选模法也是一种常用的多芯光纤激光器选模方式。关于自傅立叶腔选模方式的机理及结构己有大量的分析和报道,在多芯光纤产生的超模中釆用自傅立叶腔可以对同相位超模进行有效的选择。E.J.Bochove等人对自傅立叶腔进行了理论分析和实验验证,验证了其选模的方式的有效性。

5.光波导选模

光波导选模是指将多芯光纤与另外一种不同的光波导之间相连,在多芯光纤中激发出来的各个模式在传输过程中互相竞争,所利用的光波导利于部分模式的输出抑制其它模式的输出,从而实现特定模式的选择性输出。L丄i等在试验中将传统塔尔伯特腔选模方式与白光纤结合进行选模,具体操作为将多芯光纤的一端或两端与直径为200 urn的白光纤擦接,构成性能更为优越的全光纤系统。另外一种多芯光纤选模机制是将多芯光子晶体光纤与微结构光纤恪接,通过调整和优化微结构光纤的参数,提高同相位超模的输出功率及输出效率,尽可能的实现单模输出。

以上对多芯光纤的选模方法进行简单介绍,除以上几种常用的方法外科学家们还在不断探究更好的选模方式,优化常用的选模方式,不断从各个角度剖析模式之间的竞争,以实现多芯光纤中同相位模式更好的输出。

与单芯光纤激光器相比多芯光纤激光器有着更大的有效模场面积,有利于提高光束的输出功率。多芯光纤激光器因各个纤芯之间互相称合直接形成超模传导因为各个纤芯之间的距离已定,所以纤芯之间的相位差已经锁定,同时纤芯之间的离散分布有利于` 响I。多芯光纤的出现为高功率激光输出光纤激光器的实现提供又一种可能。因为多芯光纤激光器具备其它光纤难以比拟的独特优势,国外很多知名研究机构展开了大量的理论和试验研究,例如美国Arizona大学、PC Photonics、英国QinctiQ和俄罗斯Troitsk新技术研究中心等。已有大量关于7芯、19芯、37芯等不同纤芯数目和不同结构的多芯光纤激光器研究报道。

2001年,P.K.Cheo等人报道了七芯光纤激光锁相输出的详细情况。整个光纤的光束质量较好,其中输出总功率超过5 同相超模数值孔径NA为0.15,光束质量因子M2<1.2,斜效率为65.2%,远场中央主瓣功率超过总功率的80%[31]。2004年,Cheo等人对19芯光纤进行试验,输出功率超过100 W,远场光束质量因子为M2为1.5,这个值接近同相超模光束质量理论值。

2005年,L.MichaiUe等人对六芯光子晶体光纤进行试验,实现激光的锁相输出,其斜效率为649^,合成光束远场发散角小于衍射极限的1.1倍左右。2006年,Michaille等人又对18芯光子晶体光纤进行试验,实现激光的锁相输出,具体数值为平均功率65 W,斜效率为46%,合成光束场发散角是衍射极限的1.2倍左右。并且通过实验验证了激光器效率随纤芯数目增多而降低。

Y.HUO等人主要对多芯光纤激光器理论知识方面进行研究,给出了人们研究多芯光纤激光器方面的理论指导,并对其激光输出建立了完整的理论模型。通过大量试验及仿真证明激光器的光光转换效率将随着纤芯数目的增多而降低,比如说7芯光纤的转换效率为70%,而19芯光纤的光光转换效率则只有50%。Cheo等建立的称合模理论还表明合成光束质量将随纤芯的增多、输出功率的提高而下降。国内的光纤激光器技术有着很快的发展,如北京交通大学、天津大学、国防科技大学等科研机构和大学已经 展了关于多芯光纤激光器的研究,并取得一定成果,但总体来说还处于探索阶段。