双包层光纤的研究进展

　　8/26/2004,本站消息，
作者：Adrian Carter
美国Nufern公司
译者：谭治国
香港盛昌电子有限公司
摘要：和传统的固体激光器相比，光纤激光器在体积、可靠性、波长选择性、散热以及插头效率、运行费用等方面具有多项优势。并且，光纤激光器在运行过程中，不需要主动冷凝技术以及繁琐的光学准直操作。因此，光纤激光器正逐步成为工业激光应用中的热点。
    1999年，世界上第一台具有100瓦连续输出的单模光纤激光器问世，标志着高功率光纤激光器成为现实。不过，人们很快就认识到，为了获得更高功率的输出，常规的“小芯径、大数值孔径”的光纤设计已经不适合大功率输出的应用。具体原因在于，这种常规的光纤在大功率应用情形下，其固有的非线性效应（如SBS、SRS以及自相位调制）限制了输出功率的进一步提高。而具有高稀土元素掺杂浓度，同时其芯径相对较大而数值孔径相对较小的所谓“大模场面积”（LMA）光纤却能够克服这些限制。随后，通过采用这种LMA光纤，人们最近成功实现了在一根光纤上产生具有衍射极限光速质量、输出功率达到千瓦级的高功率光纤激光器。
    为了进一步提高输出功率，可以将多个光纤激光器的输出合并。对于一些工业和军事应用，激光器的输出功率需要达到几个千瓦或者几百个千瓦。对这类高功率应用而言，如果能够实现多个光纤输出的相干合成并束，来获得较大的功率输出将非常具有吸引力。而为了获得相干合成并束，要求有源光纤具有保偏特性。这一需求增加了光纤设计的难度。不过，这种光纤目前已经成功地研制出来。本文讲主要谈到最近在光纤设计上的若干进展，以及这些进展如何能够促进大功率光纤激光器或者光纤放大器的发展。 
1.  概述
    掺镧石英光纤激光器早在60年代就问世了。不过，这种激光器的可以达到的总的输出功率最终受到一个因素的限制：需要将泵浦能量直接注入到光纤纤芯。这种激光器的输出功率典型值在几十个毫瓦或者几百个毫瓦。和Nd：YAG固体激光器以及气体激光器相比，它们并不具备什么优势。不过，随着1988年包层泵浦光纤设计的出现，人们突破了上面提到的这一限制。到了1999年，世界上第一个连续输出超过100瓦的单模光纤激光器问世。由于不需要将泵浦能量直接耦合到模场直径相对较小的光纤中去，人们可以采用低成本的、大模场（多模）、高功率的半导体激光器作为泵浦源。
    对于某些应用，如自由空间光通信（FSO），需要激光器工作在对人眼安全的1.5-2微米的波长范围。传感器和医疗应用也对工作波长有特殊要求。对于波长有各种特定要求的应用，必须采用不同的镧系元素，如Ne、Th或者铒镱共掺来实现。对波长没有特殊要求，只是要求输出功率高的应用而言，镱元素则具有独到的优势。表现在，掺镱光纤能够在一定的波长范围内（从975纳米到1200纳米）实现波长可调的高功率输出。因为镱元素的吸收谱比较靠近荧光谱，它的量子效应相对较低。因此，只有很少部分的泵浦能量被浪费。不仅如此，和镧系元素不同的是，镱元素只有一个单一的激发态，因此，它不会受“激发态吸收”（ESA）的干扰，也极少产生自淬火现象。因此，可以使用高浓度的镱离子，同时又获得高的转换效率（典型值大于75％）。考虑到这些因素，激光器行业已经将关注点转向掺镱光纤的开发。接下来的讨论也将主要集中在这些光纤的设计问题上。
2. 大模场面积掺镱光纤
    在一个双包层光纤的单模纤芯中实现具有衍射极限光束质量的输出并不是不可能。不过，这样的设计会限制可以获得的总的输出功率。在脉冲激光器中，还会限制到平均功率、峰值功率以及脉冲能量的大小。原因在于：对于脉冲应用而言，由于能量储存能力低以及光纤固有的非线性效应。能量储存的能力取决于最大的可获得的粒子数反转以及激活粒子数目这两个因素，而粒子数反转又取决于受激的自发辐射发生的概率。高掺杂、大模场面积光纤能够突破这些限制。通过增大纤芯直径以及减小其数值孔径，激光器是可能单模运作的。并且可以同时减少自发辐射被纤芯俘获的几率，减少光纤内的功率密度，进而提高产生非线性效应的阈值。不仅如此，对于一个给定的玻璃掺杂浓度以及包层直径而言，其总的激活粒子数目，以及能量储存能力也随着纤芯直径平方值的增加而增加。因此，我们完全可以通过减小光纤的长度来进一步提高产生非线性效应的阈值。
    当然，对于纤芯直径来讲，并非越大越好。存在一个上限，超过这个上限，就不能保证光纤处于单模运作状态。并且，如果数值孔径太低（小于大概0.06），光纤开始表现出非常大的弯折敏感性。因此，这些因素确定了光纤数值孔径的下限以及光纤纤芯直径的上限。好在我们可以采用多项不同的技术来抑制高阶激发模式的产生，因此，即便光纤纤芯直径相对较大（这时光纤实际上处于多模运作状态），光纤也可以产生具有衍射极限光束质量的输出。这些技术包括光纤折射率分布的设计、掺杂的设计、特殊的腔体设计、光纤端头的楔形设计、调整SEED注入条件、光纤弯折技术（对基模之外的其他所有横模，尽量产生较大的弯折损耗）。也许最简单、最具有成本优势的技术就是弯折技术了。它不需要对SEED模式进行复杂的匹配工作，也不依赖于复杂的光纤设计。只需要挑选一个恰当的弯折半径（基于纤芯直径和数值孔径来确定），来抑制高阶模式。这一技术的原理在于：基模对于弯折损耗是最不敏感的，弯折损耗与弯折半径之间成指数关系。如图1表示了弯折损耗和一个数值孔径为0.06、纤芯直径为30微米的光纤的弯折半径之间的关系。

        

    在这样一个线性配置的光纤中大概可以传播5个模式。不过，通过选择合适的弯折半径（比如50毫米），光纤对于LP11模式的损耗系数大概是50dB/m（高阶模式的损耗更大），而对于LP01模式则只有0.01dB/m。需要强调的是，这一技术并不是说把高阶模式的功率剔除出去，相反，它是通过抑制这些高阶模式在光纤内的传输来实现的。因此，整个激光器的效率并没有显著的下降。
3. 保偏的大模场面积双包层光纤 (PM-LMA-DCF)
    要想通过扩大纤芯的直径来无限地增加大模场面积双包层光纤的输出功率是不可能的。最终的情况是，在一定的情况下（上限），输出的光束质量开始劣化。为了克服这一束缚，目前的研究工作主要是通对过玻璃组成成分以及波导结构的优化来改善大模场面积双包层光纤的设计。主要包括：通过对纤芯内折射率分布的细致设计，来减小纤芯内光传播时的峰值功率密度。当然，这一技术的有效性多少还是存在一些局限。人们仍然需要考虑一些其他可能的技术来显著提高输出功率。
    通过多个光纤激光器的组合，人们已经实现了输出功率超过1千瓦的激光器。最近，也有报道在一根光纤中实现大功率激光输出，尽管这些激光器的输出光束质量不太理想。随着对输出功率为几个千瓦的工业切割以及焊接应用的需求以及对于大于几百个千瓦的军事以及航天应用的需求不断增加，当前一些研究小组的目标是要在一根光纤中获得具有衍射极限光束质量的千瓦功率输出，然后通过多个类似器件的合并来实现更大功率的输出。人们已经成功演示了某些增加输出功率的技术，包括采用“相干光束组合，光谱光束组合以及偏振光束组合”。对于这些要求输出功率非常高的应用而言，激光器必须处于稳定线性偏振状态。许多其他类似的应用也要求输出光为偏振光（包括相干光通信，非线性频率转换，泵浦光参量设计以及模式锁定、Q开关和窄线宽光纤激光器应用）。因此，最近这些年对于具有保偏特性的双包层光纤的需求也持续增加。
    保偏光纤的偏振效应取决于纤芯内应力分布的各向异性，主要来自于“应力成分”和“纤芯－包层”之间的热膨胀系数的差别。应力成分的组成、应力成分的位置以及结构决定了光纤的双折射效力。保偏双包层光纤的纤芯以及包层的结构与标准的电信用保偏光纤差别非常大。具体表现在，在大模场面积双包层光纤中，纤芯的大直径和高的双折射效应是一个矛盾。因此，尽管无源的保偏光纤已经商用化了多年，有源的掺杂的保偏光纤直到最近依然难以大规模商用。2000年Kliner在世界上第一个采用掺镱的保偏双包层光纤实现光纤放大器。即便保偏的大模场面积掺镱光纤可行，仍然有大量的研究工作等待着去完成，以便优化应力的组份以及结构设计。2003年报道国一些该领域的试验或者理论研究成果。

        

这些包括：应力成分（ds）的尺寸，应力成分（dp）相对于内包层直径（df）和纤芯直径（dc）的位置。除了结构因素之外，应力棒的组成决定了光纤中可以获得的双折射效力的大小。图3表示应力棒尺寸和位置对于双折射（以及拍长）的影响。我们可以从中看到，在保持其他参数不变的情况下，双折射效率（或者拍长）能够通过增加应力成分的尺寸来增加。类似地，图3－b表示双折射效率可以通过将应力棒移向纤芯而增加。

  
  
    从理论上讲，我们可以通过对这两个结构参数进行适当的设计来获得大的双折射效应。不过，应力成分和纤芯的距离却对ds和dp带来限制。其受限的距离从应力成分（di）的内部边界距离可以看出来。如果di小的话，模场范围以及应力成分重叠的概率就大了，其结果是衰减相应地增加，对激光器或者放大器的信号波长的弯折损耗也变大。为了避免这一问题的出现，以及保证有一定的安全界限，我们定义了一个限制条件：di/MFD>5。对于小纤芯的单模光纤而言，在输出功率不高的条件下，采用标准的应力成分组合并且满足限制条件，即可以获得足够的双折射效率。对于应用在高功率场合的大纤芯光纤而言，要想在获得足够的双折射效率，且同时满足限制条件确实是一个挑战。在这些应用场合下，我们可以通过调整应力成分的组合（类似于陀螺光纤的）来实现比较大的热膨胀系数的差别，也就是高的双折射效率。实际上，这种优化过的，适合不同输出功率应用的掺镱大模场面积双包层光纤已经大量商用。图4给出了一个具有20微米的纤芯以及400微米的内包层直径的光纤切面的图案。
 


    这些光纤具有0.46的数值孔径，含氟聚合物光学包层封装在一个更加通用的电信类包层中（为了防止磨损）。这些光纤具有非常好的斜率效率。图5给出的例子表明：在一个混合腔体设计以及有一些分离光学元件和PM光纤的结构中，一个20微米/400微米结构的掺镱保偏大模场面积双包层光纤激光器可以实现76％的斜率效率，并且获得高达95％的偏振消光比，300瓦具有衍射极限光束质量的输出光。这个光纤是被多个具有不同波长的激光二极管（940纳米和975纳米）泵浦的。光纤长度是45米。引人注目的一点在于，该激光器的输出功率只是受到可用泵浦功率的限制。实际上，这种设计可以获得的最大的连续出光功率非常接近于1千瓦。已经有报道成功地采用非保偏的LMA-YDF-20/400光纤实现800瓦具有衍射极限光束质量的激光器。

           
         
    这些高功率激光器试验一般来说是通过采用特定的腔体设计以及利用分立的光学元件（如保偏光束分离器）来实现的。如果采用结构更为紧凑的“全光纤”设计，激光器可能会表现出更为优异的特性（比如，不存在准直的问题）。在这样的腔体设计中，需要一个楔形的光纤束、布拉格光栅以及采用特殊的熔接技术。实际上，人们正在开发这样的“全光纤”激光器。我们最近已经成功演示了一个具有19dB的线偏振输出的“全光纤激光器”。其输出为360瓦，光束质量近似为衍射极限光束输出（M2～1.1），且具有稳定的窄线宽（0.57纳米），发射谱为1086纳米。这一简单的腔体设计利用了33米长的Nufern公司生产的PM-LMA-YDF-20/400，和具有反射率>99%的FBG熔接（形成谐振腔）。双包层光纤以9厘米的直径绕成线圈，以消除不需要的偏振模式以及高阶横模。泵浦功率为496瓦（波长915纳米，940纳米和976纳米），出光阈值大约为3瓦，斜率效率为62％。我们的分析结果标明：采用这种设计，是可以获得1千瓦甚至更高的出光功率。这一简单可靠的全光纤设计对于未来利用多个光束组合技术获得大于10千瓦激光输出的光纤激光器是尤其具有吸引力的。对于多项需要高功率线性偏振衍射极限光束质量的应用来说，也具有发展潜力。
  


4. 结论
    由于具有非常高的插头效率，非常好的输出光束质量，以及结构紧凑，可靠，简单的风冷技术，掺镱的光纤激光器在最近吸引力大量的注意力。在过去的18个月内，一系列光纤以及泵浦设计上的进展也加快了连续或者脉冲出光功率的成指数倍数的增加的报道。研究成果如此之多，以至具有衍射极限的，单偏振态的，千瓦级输出功率的单光纤光纤激光器不久将成为现实。因此，给予这些设计的光纤激光器将会对传统的固体激光器和气体激光器系统提出挑战，在工业，军事，传感和材料处理领域。

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