淺析多芯光纖激光器

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1、光纖激光器http://www.518168.cn淺析多芯光纖激光器光纖激光器的研究是光電子領(lǐng)域的熱點(diǎn)，但由于單模光纖激光器的纖芯截面積、非線性效應(yīng)等因素的限制，通常其輸出功率有限。多芯光纖激光器通過(guò)將若干個(gè)中等功率的光纖激光器進(jìn)行耦合可以提高輸出功率。多芯光纖在較大的內(nèi)包層中有多個(gè)完全相同的單模摻雜纖芯，纖芯間的距離很小。多芯光纖激光器比單芯光纖增加了纖芯有效面積，從而有效地提高了諸如受激拉曼散射和受激布里淵散射等非線性效應(yīng)的閾值功率，這對(duì)進(jìn)一步提升大功率光纖激光器的輸出功率非常有效。由于振蕩激光的耦合，使得各纖芯受激發(fā)射的激光相互作用，達(dá)到同相位模式(in2pha

2、semode)的激光輸出。由于多芯光纖激光器的獨(dú)特優(yōu)勢(shì)，以美國(guó)PCPhotonics公司為代表的國(guó)外研究機(jī)構(gòu)已經(jīng)開(kāi)展了大量的理論和實(shí)驗(yàn)研究。根據(jù)耦合模理論，多芯光纖的輸出光束模式是由光纖結(jié)構(gòu)決定的超模。目前對(duì)同相位模式的選模有三種方式，分別是通過(guò)塔爾伯特腔(Talbotcavity)、高反射準(zhǔn)直透鏡和自傅里葉轉(zhuǎn)換諧振腔來(lái)實(shí)現(xiàn)。多芯光纖中每一個(gè)纖芯都是單模光纖，均工作在單模狀態(tài)，通過(guò)相互耦合形成多個(gè)模式，根據(jù)耦合模理論可以得到與纖芯數(shù)量相同的模式總數(shù)，如7芯和19芯光纖中分別存在7個(gè)和19個(gè)模式，其中傳輸常數(shù)最大的模式在每個(gè)纖芯中的復(fù)振幅具有相同的相位，所以稱為同相位模

3、式，與其他幾個(gè)模式相比具有最好的光束質(zhì)量。所以，應(yīng)盡量提高多芯光纖激光器和放大器輸出功率中同相位模式的比例，從而確保更好的光束質(zhì)量?！　?、多芯光纖的構(gòu)造和基本原理　　1.1、多芯光纖的結(jié)構(gòu)目前研究較多的多芯光纖有等距式和圓環(huán)式兩種。等距式多芯光纖的纖芯均勻分布在包層之內(nèi)，而圓環(huán)式多芯光纖的纖芯只呈環(huán)狀分布在包層內(nèi)側(cè)。此外還有7、37、61芯乃至更多芯數(shù)的多芯光纖。雖然芯數(shù)的增多可以增大總的輸出功率，但可以確定的是芯數(shù)越多，同相位模式的耦合效率越低。1.2、多芯光纖激光器的激光耦合和選模在多芯光纖中，不同纖芯的激光發(fā)生能量耦合，各纖芯中光場(chǎng)的復(fù)振幅將發(fā)生變化。但纖芯支

4、持的模式是由材料和幾何結(jié)構(gòu)決定的，各單模光纖不會(huì)因?yàn)榕c其他纖芯的耦合而支持其他模式，在多芯光纖中每個(gè)纖芯仍然只支持單模光纖的本征模。根據(jù)耦合模理論可推導(dǎo)出7芯光纖出射光束的復(fù)振幅分布為這7種超模的線性組合，即混合模。并可得到多芯光纖出射光束的模場(chǎng)分布　1.3、模式選擇對(duì)于等距式多芯光纖，P.K.Cheo提出用非線性光學(xué)的方法進(jìn)行模式選擇，并給出了相應(yīng)的數(shù)學(xué)模型。當(dāng)泵浦光功率達(dá)到一定閾值時(shí)，在光纖內(nèi)部發(fā)生非線性效應(yīng)，使得等距式多芯光纖選擇光束質(zhì)量最好的同相位模式輸出。M.Wrage等人提出利用塔爾伯特腔進(jìn)行模式選擇。具有一定周期性的相干光的光強(qiáng)分布在傳輸一定距離后會(huì)出現(xiàn)

5、自身的像，這個(gè)距離zm稱為塔爾伯特距離。對(duì)于多芯光纖，不同的超模具有不同的塔爾伯特距離。如在某一模式的zm處放置一個(gè)平面鏡，超模自身的像經(jīng)反射后耦合進(jìn)激光器，從而達(dá)到了模式選擇的目的。光纖激光器http://www.518168.cn/Lasers.asp光纖激光器http://www.518168.cn　激光經(jīng)平面鏡反射后，超模被反射的部分稱為反射系數(shù)，如果在特定的距離zm上某一模式的反射系數(shù)很大而其他模式的反射系數(shù)很小，該模式就被選擇出來(lái)，作為多芯光纖激光器的主要輸出模式。2、多芯光纖激光器的機(jī)械特性優(yōu)勢(shì)Yan2mingHuo和PeterK.Cheo等人證實(shí)了在連

6、續(xù)波作用下的最大機(jī)械壓力和溫度擴(kuò)散方面，多芯光纖激光器比單芯光纖激光器有著顯著的機(jī)械性能優(yōu)勢(shì)。實(shí)驗(yàn)表明，7芯光纖在中心的溫度擴(kuò)散斜率比單芯光纖大。這是因?yàn)闊彷椛湓?芯光纖內(nèi)擴(kuò)散不是像在同樣總直徑的單芯光纖的擴(kuò)散那么集中，所以多芯光纖的能量釋放比單芯光纖更快。熱擴(kuò)散是一個(gè)緩慢的過(guò)程，熱在光纖中擴(kuò)散時(shí)，7芯光纖的物理結(jié)構(gòu)決定了它的熱擴(kuò)散更快。在機(jī)械壓力釋放方面，多芯光纖由于獨(dú)特的構(gòu)造，有著比單芯光纖更大的優(yōu)勢(shì)，在相同壓力下，7芯光纖中的單根纖芯受到的平均壓力比單芯光纖減少13%。7芯光纖的溫度和壓力的釋放比單芯光纖快5倍。因此，多芯光纖可以傳輸更大能量的激光并且可以承受更

7、大的機(jī)械壓力，多芯光纖將促進(jìn)高功率光纖激光器的發(fā)展?！　?、多芯光纖激光器的研究進(jìn)展　　3.1、使用級(jí)聯(lián)系統(tǒng)增強(qiáng)同相位模為了進(jìn)一步提高同相位模式功率占總輸出功率中的比例，可使用級(jí)聯(lián)系統(tǒng)來(lái)增強(qiáng)同相位模式，抑制低階模式。該級(jí)聯(lián)系統(tǒng)右半部分為光纖激光器，摻鐿7芯光纖的右端至反射鏡面的距離為ZR/2，通過(guò)調(diào)整ZR可以改變各個(gè)模式功率的反射系數(shù)，摻鐿7芯光纖左端面拋光后可以獲得4%的功率反射系數(shù)。左半部分是光纖放大器，激光器的輸出光作為種子光注入放大器中進(jìn)行功率放大。有兩點(diǎn)需要注意：首先，光纖激光器的輸出端和放大器的信號(hào)輸入端之間距離為ZL，根據(jù)塔爾伯特效應(yīng)可