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科技資訊

火爆在即!大功率超快光纖激光器

05月21日 12:57

脈沖持續時間在飛秒和皮秒范圍內的超快激光器目前在許多工業制造過程中起著重要作用,這些激光在高質量、“冷加工”中的價值,再加上激光技術、工藝開發、光束處理和交付方面的進步,為眾多先進的科學和工業應用打開了大門。

現在,使用錐形雙包層光纖(T-DCF)放大器的最新技術提供了一種具有高空間效率格式且具有出色光束特性的高功率發展前景,最顯著的是,其生產成本僅比普通光纖高。這意味著這些超快激光器的每瓦成本日益重要,可以通過提高處理速度和精度獲得快速的投資回報。

過去十年中,通過使用包層泵浦光纖架構(例如NKT Photonics aeroGAIN-ROD1),稀土摻雜光纖源的輸出功率急劇上升,導致了一系列具有卓越性能的光纖設備光束質量,總體效率以及工作波長和輻射格式的靈活性方面的性能。盡管使用Amphos InnoSlab技術等新配置也使固態高功率超快技術取得了重大進步,但固態增益材料的高成本和熱管理方面的挑戰仍可能對其廣泛采用構成重大障礙。

歐盟委員會(EC)資助了PULSE項目,以支持具有競爭力的技術的開發,這些技術可實現更快,更精確和非熱的激光制造。Ampliconyx Oy和包括菲亞特·克萊斯勒在內的歐洲合作伙伴聯盟現在正在開發一種T-DCF激光器,該激光器可提供高達2.5 kW的功率,脈沖持續時間短至100 fs,重復頻率高達1GHz。完整的激光處理系統將使用多邊形掃描儀技術和光纖集成光學器件,以高達1.5 km/s的掃描速度處理大功率超短脈沖,從而提供最小10μm的光斑。

大功率激光器

大功率超快光纖激光器的興起

超快脈沖激光器已經呈指數增長,已申請專利的數量從每年約100到500增加了五倍。飛秒激光加工使許多先進的利基應用受益,包括在光子學,微電子學,MEMS和許多其他市場。

光纖激光器,固態激光器和磁盤激光器是產生高平均功率的最有希望的候選者。與固態和盤形激光器相比,光纖激光器的突出特點是結構緊湊,堅固耐用,效率高,易于熱管理以及光束質量可靠。顯著降低的生產和維護成本也使基于光纖的方法對于皮秒和飛秒高重復頻率千瓦級激光器的開發非常有吸引力。

當今高平均功率光纖激光器一般采用啁啾脈沖放大(CPA)技術,但是,在基于升壓光纖的放大器中,即使對于高度擴展的脈沖,光峰值強度也會變得非常高,從而產生有害的非線性脈沖失真,甚至會破壞增益介質或其他光學元件。此外,在脈沖高功率系統中,經常會出現其他非線性效應,例如自相位調制,受激拉曼散射(SRS),模式不穩定性以及較差的輸出光束質量,從而限制了它們的性能。

解決脈沖信號放大問題的主要方法是增大光纖的纖芯直徑。開發了具有大模態面積的特殊活性纖維,以增加活性纖維的表面積與活性體積之比,從而改善散熱并提高非線性效應的閾值,從而實現功率縮放。最先進的基于高功率光纖的技術已經在單個脈沖放大通道2中達到了>1 kW,并為未來的超短多千瓦級光纖激光器系統奠定了基礎。

已經開發出幾種具有大有效模式面積(LMA)的有源光纖,以實現高功率縮放。它們是具有低孔徑纖芯,微結構桿狀纖維,螺旋纖芯或手性耦合纖芯纖維和T-DCF的著名LMA纖維。用這些低孔徑技術獲得的模場直徑(MFD)通常不超過20–30μm。微結構棒狀纖維具有高達65μm的更大的MFD,并且性能良好。最近,包含大間距光纖(LPF)的飛秒主振蕩器功率放大器(MOPA)展示了令人印象深刻的2.2 mJ脈沖能量。然而,LPF的制造非常復雜,需要大量的技術處理,例如對纖維預成型件的精密鉆孔,從而導致更高的生產成本。這些纖維對彎曲也非常敏感,這意味著要獲得足夠的堅固性可能會很困難,而且使用LPF很難設想合理的生產成本。

激光器

克服光纖激光功率縮放中的非線性影響

T-DCF是基于大功率光纖的CPA系統的有希望的替代方案之一,它可以最大程度地減少非線性影響,同時通過將其替換為單級來簡化正常的多級放大鏈。T-DCF是使用特殊的光纖拉制工藝形成的雙包層光纖,其中控制溫度和拉力以沿著光纖的長度形成錐度,通過使用預包層的光纖預型件,纖芯以及內包層和內包層的直徑和厚度均沿光纖的全長變化。

形成錐形幾何形狀的雙包層光纖的結果是引入細端的光在寬纖芯中傳播,而不改變模式含量。眾所周知,依次增加多個系列的圓柱形光纖放大器的直徑通常會增加不必要的非線性效應的閾值,T-DCF設計在單根光纖中融合了這一優勢,結果,光放大通過提高非線性效應(包括布里淵和拉曼散射)的刺激閾值來保持出色的光束質量。

由于其特定的幾何形狀,T-DCF技術可用于直接放大寬范圍的脈沖信號:從短(數十皮秒)到長(高達數百納秒)和從窄(幾十皮秒)皮米(幾米)到寬線寬(幾十納米)。根據研究,使用具有0.11數值孔徑(NA)的最大端芯直徑達200μm的錐形光纖,記錄了峰值功率和能量放大水平,并記錄了具有300μJ能量且無非線性失真的60ps脈沖。

光纖的雙包層結構意味著其纖芯可以以比僅在纖芯中傳播的功率更高的功率被泵浦,與具有類似水平的活性離子摻雜的圓柱形光纖相比,在錐形光纖中每單位長度的泵浦光的吸收和轉換更高,這是由于改進的包層模式混合以及由于包層更厚而在錐的較厚端具有更高的吸收,這也意味著,稀土離子摻雜劑可以有效地集中在T-DCF的寬端,因為幾何形狀將其存在與直徑的平方成正比。

T-DCF生產簡單,組裝緊湊

T-DCF的最大優勢之一是生產簡單。特殊大功率纖維(微結構棒狀纖維,3C或LCF)的預成型件生產涉及復雜的技術和嚴格的結構要求,相比之下,T-DCF是使用標準纖維預制棒制成的。簡單的生產技術會在牽拉過程中改變拉伸速度,從而導致纖維直徑沿其長度變化,T-DCF的生產幾乎與常規活性纖維的生產一樣簡單。T-DCF光纖的直徑可以縮小到35 cm,這使得高功率放大器封裝非常緊湊,而性能卻不會下降。

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