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2內(nèi)容目錄123主要技術(shù)路線 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性閾值高功率激光大模場光纖大模場光纖包層小高功率光纖激光器研究現(xiàn)狀分析第3頁4大模場激光光纖研究研究目標(biāo)增大模場面積 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5致力于大模場光纖主要研究機(jī)構(gòu)美國能源部Sandia國家試驗(yàn)室美國Aculight 企業(yè)美國OFS試驗(yàn)室美國羅切斯特大學(xué)(University of Rochester)美國密

2、執(zhí)安大學(xué)(University of Michian)德國耶拿大學(xué)(University of Jena)德國IPG光子企業(yè)英國南安普敦大學(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6研究總體思緒 立足于光纖結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，經(jīng)過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，到達(dá)增大模場面積、抑制高階模目標(biāo)，同時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71. 主要技術(shù)

3、路線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91.1 光纖結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 幾個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分布 階躍分布高功率光纖激光器研究現(xiàn)狀分析第9頁101.1 光纖結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 高折射率區(qū)分布偏離軸心，有利于增加模場面積，但模場約束能力下降，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。 錐形分布二次曲線分布平坦模分布 纖芯折射率分布影響模場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111.1 光纖結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)橫截面折射率分布不彎曲時模面積 (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應(yīng)模場彎曲改變高功率光纖激光器研究現(xiàn)狀分析第11頁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 幾個纖芯折射率分

5、布對模場性能影響高功率光纖激光器研究現(xiàn)狀分析第12頁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個原因影響 大基模場面積 彎曲模場畸變程度 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，最簡單、最常見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，選模效果顯著；彎曲損耗曲線 d30um, NA0.05耦合系數(shù) ( dB/m

7、)彎曲時半徑 ( m )高功率光纖激光器研究現(xiàn)狀分析第18頁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201.2 模式選擇控制 增益導(dǎo)引增益影響模場分布無增益 : 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211.2 模式選擇控制 增益導(dǎo)引增益分布與模式競爭能力i(z) 模式與增益重合因子；g0 小信號增益系數(shù)；Pi(z) 第i個模式功率；i(r,) 模式場分布；

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221.2 模式選擇控制 增益導(dǎo)引增益分布與模式競爭能力低飽和時， 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231.2 模式選擇控制 增益導(dǎo)引增益分布與模式競爭能力50um芯徑100um芯徑階躍光纖在不一樣摻雜下相對增益系數(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241.2 模式選擇控制 增益導(dǎo)引增益分布與模式競爭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251.3 模式轉(zhuǎn)換 經(jīng)過模式耦合，實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)換模場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?？箯澬詮?qiáng)。Ref. S. Ramachandran Opt. Letters. 31(12):1797-1799LP07在 Rbend=12.9、6.3、4.6cm 時基礎(chǔ)不變高功率光纖激光器研究現(xiàn)狀分析第25頁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)定性好對摻雜工藝要求高，需高摻雜轉(zhuǎn)換效率高，全玻璃化無嚴(yán)格導(dǎo)模，高階模損耗小泵浦光吸收率低，加工要準(zhǔn)確模式競爭不穩(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，會激勵無須要模式彎曲損耗選模方法簡單，效果顯著泄漏選模選模控制功率流失，引發(fā)場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27內(nèi)容目錄2最新研究進(jìn)展13主要技術(shù)路線 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28最新報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15m，風(fēng)冷卻；兩側(cè)面泵浦，2kW；光纖溫度最高值 1200C；輸出2kW時，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302.1 100um芯徑棒型光子晶體光纖預(yù)放級 1: 2m, 25um 芯徑，YDDF預(yù)放級 2: 1.5m, 40um 芯徑，PCF功放級: 100um 芯徑，1.5mm 包層, L=92cm ，19 個缺點(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，過渡到普通固體激 光器，面臨嚴(yán)重?zé)嵝?yīng)問題。不一樣芯徑光纖試驗(yàn)結(jié)果對比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，依靠對不一樣模式約束損耗差異進(jìn)行選模，結(jié)構(gòu)簡單，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462.8 高效率保偏大模場光纖在傳統(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47

16、各國研究情況對比國家 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 Sandia, OFS, Aculight3200um280um高階模光纖 英國 Southampton40um螺旋型纖芯 德國 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48內(nèi)容目錄312主要技術(shù)路線 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493. 當(dāng)前面臨困難 3.1 彎曲損耗、模場畸變問題

17、弱導(dǎo)光纖彎曲損耗大，允許彎曲半徑偏大，彎曲只能濾除個別高階模高功率光纖激光器研究現(xiàn)狀分析第49頁503. 當(dāng)前面臨困難 3.1 彎曲損耗、模場畸變問題彎曲引發(fā)嚴(yán)重模場畸變，模面積壓縮、模場偏移、模式耦合加劇等，使原本大模場設(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，畸變越嚴(yán)重彎曲時基模場彎曲前基模場高功率光纖激光器研究現(xiàn)狀分析第50頁513. 當(dāng)前面臨困難 3.1 彎曲損耗、模場畸變問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523. 當(dāng)前面臨困難 3.

18、1 彎曲損耗、模場畸變問題彎曲引發(fā)模式競爭能力改變；與增益重合最大基模彎曲后可能小于高階模重合因子，失去競爭優(yōu)勢彎曲前彎曲后摻雜曲線折射率分布高功率光纖激光器研究現(xiàn)狀分析第52頁533. 當(dāng)前面臨困難 3.1 彎曲損耗、模場畸變問題彎曲引發(fā)非線性效應(yīng)閾值下降，大模場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543. 當(dāng)前面臨困難 3.2 增益導(dǎo)引問題考慮增益作用時激光速率方程，模式競爭能力由因子描述；高功率光纖激光器研究現(xiàn)狀分析第54頁553. 當(dāng)前面臨困難 3.2 增益導(dǎo)引問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)隨光場也發(fā)生改變；彎曲畸變、模場壓縮程度描述困難；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563. 當(dāng)前面臨困難 3.3 熱效應(yīng)問題kW級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設(shè)計(jì)折射率差在同一數(shù)量級，一