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注2:
原文见后。
【正文:
】
激光有着良好的相干性(空间相干),并且能够提供很高的脉冲峰值功率,故而在目前,激光的应用范围十分的广泛。
许多情况下,尤其是制造业,在切割、焊接、钻孔等方面,高度稳定的能量是必不可少的。
低功率光纤放大器是光纤网络的重要组成部分,同时它也可以发展成为工业用激光器的领跑者。
目前它的输出功率已经达到1kw,最近更是达到了惊人的10kw以上。
而这些成果都受到衍射受限光束的光束质量的限制,因为这一
属性决定了光束是否能够有效地汇聚于一点。
连同强度和波长,它们一起决定了空间光的亮度和辐射率。
激光的高亮度并不取决于激光本身的能量大小,而取决于光纤激光器能够照射到目标上的能量密度。
大功率光纤激光器的成功背后有几个小秘密。
一个是包层泵浦【cladding-pumping】
(4-6),与传统的光学纤维(见图)相比,它使用更为复杂的光纤结构。
除了用通常的纳米数量级纤芯的光纤【few-micrometer-sized】来导光,这种双层包层的光纤还包括一个二级的同轴波导包围着纤芯。
大多数光纤激光器的光泵浦都采用半
导体激光二极管,这种体积较大的二级同轴波导则在空间上容许更多的激光半导体二极管来作为泵浦,用以提供几千瓦的低成本、低亮度的光功率。
其后我们向纤芯中掺杂了镱【Ytterbium】,作为激光激活(放大)的掺杂剂。
镱是一种十分有效的激光放大离子,一方面是由于放大
光的波长(1040nm——1100nm)与泵浦光的波长(910nm——980nm)十分接近(7、8)。
而两者不同之处则被称为“量子数亏损”,量子数亏损决定了激光器所产生的散热,为了降低发热,可以证明,波长为1020nm的泵浦光适用于10kW的激光器(3)。
光纤激光器的光学转换效率能够超过80%,同时其电光转换效率则为40%。
此外,可以尽可能的提高光纤掺杂镱的浓度,从而使实际使用的仅有几米的光纤激光器可以承受更强的泵浦光源。
最新开发出的以硅基玻璃为主体的光纤,使激光器在商业化的进程中取得了突破,这种光纤在允许掺杂很高浓度的镱的同时,还能够避免硅基的主体表面产生介质暗化效应【photodarkening,一种导致光线损耗随时间增加的现象】。
除了掺镱光纤,掺铒和掺铥光纤分别被用于波长约为1.6µ
m——2µ
m,功率约为0.3和1kW的激光器。
【光纤激光器:
后置泵浦光源的的双层包层光纤激光器结构的原理示意图(非真实比例).】
CREDIT:
P.HUEY/SCIENCE
相较于传统的光学泵浦的离散激光器【bulklaser】,光纤波导激光器一个最基本优势是他们的耐热性。
在过去的几年中,大量的离散激光器【bulklaser】一直被毫无规律的发热所困扰,从灾难性的光纤断裂,到发热所引起的光束的畸变导致的光束质量的降低,乃至限制了光束亮度。
相比之下,长光纤激光器由耐热的硅制成,而且有着十分精细的散热去,热量很容易从这里辐射出去。
单位管长的热负荷降低减小了refractive-index畸变,同时,这可使光腔中的模式维持在稳定平面波阵面。
但是,细长的光腔有一个缺点是会造成中值非线性的【medium-nonlinear】光学退化。
对于thecross-sectionalarea来说,存在着一个中值增益的最优比例,它能够最好的平衡发热及非线性畸变之间的关系(8)。
这种我们所说的波导使理论上的最优比例成为可能。
而在实际中,离散激光器【bulklaser】中存在的不可避免的衍射,这使其比例无法达到最优,而且只能小于最优比例。
仅仅有适当的比例还远远不够。
我们必须要有一个足够大的纤芯,以保持其中的低能量密度低于损伤阈值功率密度。
同时还要提高能量的储存率,来应对极高的脉冲峰值功率。
之前,光纤激光器的纤芯直径一直受到光束质量降低、光波导脆弱问题的限制,这会引起弯曲损耗和包络等问题。
这些问题主要发生在50-100-µ
m区域,虽然滤芯【commerical】单模设备很少大于30µ
m。
幸好我们在缩小纤芯方面有着新的进步——发热和非线性限制的trade-off,以及掺镱光纤的良好性能。
凭借上述性能,光纤激光器可以作为更好的高亮度、高功率的激光光源。
与光纤激光器的商业突破同样重要的成果是——整体光纤激光器件的集成,这使得集成的guided-wave激光器能够经受得住恶劣环境的考验。
然而,光纤激光器还处于早期的初级发展阶段,这仅仅是我们故事的开始,目前成型的光纤激光器更多的是用于光放大器,而非真正的纯正的激光器。
尽管光纤激光器作为光放大器工作时表现优异,但是在高产出、高能、高效率方面的能力并不突出。
所以,有可能的解决方案是生产一种强束缚、低能量的激光器(或许是半导体二极管激光器),然后利用光纤放大器将它的能量放大到千瓦级。
在高能激光器中,光纤可以提供非常精确的控制使光束耦合并聚合在一起,这提供了一种很有前景的可能性,即可以进一步的提高输出能量,甚至达到百万瓦级。
有很多方法可以使单个光纤激光器发射的光聚合在一起,这比利用单一的光纤激光器输出更高的能量和亮度更容易实现。
无论如何,相互耦合、聚合的定相激光阵列装置就像雷达天线一样,可以利用相位控制着每一个单一的光束,它提供了对空间受限波面的控制,以及对光束的操纵和追踪定位的功能。
数字全息技术是另一种电子的用于控制波阵面的方式。
光束的控制系统是非常昂贵的,不过在激光的相位噪声足够低的情况下,可以利用更为简便的相位控制系统来降低开销。
此外,尽管耦合、聚合光受到连续光系统的限制,但是它目前已发展到可应用于毫秒级脉冲系统中。
基于上述结论,我们可以尝试使用耦合、聚合的毫秒级光纤光源来控制维克菲尔德加速【wakefieldaccelerators】,从而使极小的颗粒碰撞。
光纤激光器的发展,将必然使数百万瓦特的平均功率成为激光器的基本功率等级。
尽管上述想法的实现需要将数以千计的光纤聚合在一起,但是考虑到工业生产能力,以及现今光纤技术的发展状况,这项技术的提出在今后的几十年里将会十分令人激动与振奋。
参考文献
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【原文:
20May2011:
DOI:
High-PowerFiberLasers
JohanNilssonandandDavidN.Payne
AuthorAffiliations
OptoelectronicsResearchCentre,UniversityofSouthampton,SouthamptonSO171BJ,UK.
E-mail:
jn@orc.soton.ac.uk
Lasersareusedinawiderangeofapplicationsthatbenefitfromthepinsharp(spatiallycoherent)beamandimmensepulsepeakpowertheycanprovide.Inmanycases,notablymanufacturing,highaveragepowerisessentialforcutting,welding,anddrilling.Thelow-poweropticalfiberamplifier
(1),acclaimedasthemainstayofthefiber-basedInternet,canbemassivelyscaledtoemergeasanindustriallaserfrontrunner,reachinganoutputpowerof>
1kW
(2)and,morerecently,anastounding10kW(3).Theseresultswereobtainedwith(nearly)diffraction-limitedbeamquality,whichdeterminestheabilitytofocustoatightspot.Togetherwiththepowerandwavelength,itdeterminesthespatialbrightness,orradiance.Thebrightnessisexceptionallyhighforthesefiberlasers,andthis,ratherthanthepoweritself,determinesthepowerdensityachievableonatarget.
Thereareseveral“secrets”behindthesuccessofhigh-powerfiberlasers.Oneiscladding-pumping(4–6),whichusesamoresophisticatedfiberstructurethanthatofaconventionalopticalfiber(seethefigure).Inadditiontotheusualfew-micrometer-sizedcoreforguidingthelight,thesedouble-cladfibersincludeasecond,coaxial,waveguidethatsurroundsthecore.Mostfiberlasersareopticallypumpedbysemiconductorlaserdiodes,andthelargesizeofthissecondwaveguideallowspumpingwithnumerouspumpdiodesthatprovideseveralkilowattsoflow-cost,low-brightnessopticalpower.
Thenthereistheincorporationintothecoreofytterbiumasthelaser-active(amplifying)dopant.Ytterbiumisaveryefficientlaserion,partlyduetotheproximityofthewavelengthoftheamplifiedlight(typically1040to1100nm)tothatofthepump(typically910to980nm)(7,8).Thedifferenceiscalledthe“quantumdefect”anddeterminestheamountofsurplusheatalaserwillproduce;
tominimizethis,apumpwavelengthof1020nmwasusedforthe10-kWdemonstration(3).Theopticalconversionefficiencyofafiberlasercanexceed80%,atanelectrical-to-opticalconversionof40%.Furthermore,ytterbiumcanbeincorporatedinconcentrationsashighasseveralpercentsothatpracticalfiberlaserlengthsofafewmeterscanabsorbthepumplight.Anearlyenablingcommercialbreakthroughwasthedevelopmentofnewsilica-basedglasshoststhatallowforhighytterbiumconcentrationswithoutthephotodarkeningfromwhichmanysilicahostssuffer.Besideytterbium,erbiumandthuliumareusedforwavelengthsaround1.6and2µ
m,respectively,reachingpowersofabout0.3and1kW
Fiberlasing.Schematicofadouble-cladfiberlaserinanend-pumpedconfiguration(nottoscale).
Aprimeattractionoffiberwaveguidinglasersovertheirconventionalopticallypumped“bulk”lasercousinsisthermalmanagement.Ahostofthermalgremlinshaveplaguedbulklasersovertheyears,fromcatastrophicfracturetothermalbeamdistortionsthatdegradethebeamquality,thuslimitingthebrightness.Bycontrast,thelongfiberlaserismadefromrefractorysilicaandhasahair-thinactiveregionfromwhichitiseasytoextractheat.Thereducedthermalloadperunitlengthlowersthethermallyinducedrefractive-indexdistortionsand,furthermore,aguidedlasermodecanmaintainanunperturbed,flatwavefronteveninthepresenceofsuchdistortions.
Thereis,however,adrawbackinhavingalongandthingainmedium—nonlinearopticaldegradation.Thereisanoptimalratioofthelengthofthegainmediumtothecross-sectionalareathatbestbalancesthermalandnonlineardegradation(8).Waveguidingmakesitpossibletoreachthisoptimalratio,whereasinabulklasertheinevitablediffractioncanmaketheratioordersofmagnitudessmallerthanoptimal.Therightratiois,however,notsufficient.Itisalsonecessarytohavealargecoretokeepthepowerdensitybelowthedamagethresholdandimprovetheenergystorage,incaseofhigh-energypulses.Therearelimitstothecorediameterinafiberlaserbeforethebeamqualitydegradesandtheguidancebecomestooweak,whichcausesproblemswithbendlossandpackaging.Thisoccursinthe50-to100-µ
mregion,althoughthecoresincommericalsingle-modedevicesareseldomlargerthan30µ
m.
Thankstothetrade-offbetweenthermalandnonlinearlimits,theimpressiveprogressincoreareascaling,andthesuperbpropertiesofytterbium-dopedsilica,fiberlasersexcelashigh-power,high-brightnesslasersources.Equallyimportantfortheircommercialsuccessistheintegrationofall-fibercomponentstomakeamonolithicguided-wavelaserthatresistsenvironmentalabuse.However,fiberlasersareintheirinfancy,andthisisonlythebeginningofthestory.High-powerfibersareoftenconfiguredasamplifiersratherthanas“pure”lasers(8).Fibersworkverywellasamplifierswithanunsurpassedabilitytocombinehighgain,highpower,andhighefficiency.Itisthereforepossibletouseahighlycontrolled,low-powerlaser(perhapsasemiconductordiode)andboostitspowerwithfiberamplifiersuptokilowatts.
Theexquisitecontrolofferedbyfiberathighpowermakescoherentbeamcombinationanextremelyexcitingpossibilityforextendingthepowerfurther,perhapstothemegawattregime.Therearearangeofdifferentmethodsthroughwhichtheoutputbeamsofindividualfibersourcescanbecombined(8,9),primarilytoreachhigherpowerandbrightnessthanispossiblefromasingle-fiberemitter.However,
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