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光纤激光器

单晶光纤在超短脉冲激光器中放大功率

传统的块体MOPA放大有许多不足，目前正通过下一代高功率超
短脉冲光纤激光器的单晶光纤技术来解决这些问题。

文/Daniel Guillot，Julien Didierjean，Patrick Beaure D'augeres; Fibercryst公司

在 激光微加工应用中，短脉 的一部分。尽管存在缺点，但是薄片 些扰动导致 LMA 光纤在高功率下还
冲提供精确的高平均功率， 放大器可以产生非常高的千瓦级输出
支持高阶模式，这使得光束质量劣
能够实现更高的处理速度， 功率，并且是最终放大级的理想选择。 化，并最终使输出光束在毫秒级上波
而高能量则提高了加工吞吐量。短脉 虽然由于其高增益，可以在板条 动（横模不稳定性）。在工业激光系
冲可以容易地实现，但是在能量或平 放大器中实现高达千瓦级的极高平均 统中，棒状光纤的峰值功率通常限制
均功率方面的提升更具挑战性。例如， 功率，但所使用的之字形光路会引入 在 1MW 左右，以避免非线性效应。
光纤内的非线性效应限制了放大期间 椭圆度并降低光束质量。 在飞秒光纤激光器中，啁啾脉冲
的峰值功率。 除了用于产生短脉冲的块体替代 放大（CPA）减缓了这一局限性，并
在短脉冲或超短脉冲（USP）激 方案之外，基于光纤的放大器通常使 能实现基于 400μm 纤芯柔性 PCF 光
光器中实现更高功率的公认解决方 用大模场面积光纤（LMA）或大模场 纤的高功率系统。然而，峰值功率限
案， 是 通 过 主 振 荡 器 功 率 放 大 器 面积光子晶体光纤（PCF LMA），而 制迫使采用相应的压缩器实现大的展
（MOPA）架构，使用各种技术和材 棒状 PCF 可实现更高的峰值功率。 宽比，这又增加了成本和系统尺寸。
料来影响放大。下一代 USP 激光器 市售光纤的最大芯径为 85μm，传
依赖于新颖的基于光纤的架构，以克 播模式为 650μm，即使掺杂水平较高， 单晶光纤
服传统块体和光纤放大器的不足。 长度也约为 1m。超大纤芯和极低数值 单晶光纤（SCF）通常为单晶钇
孔径的光纤设计，输出衍射极限光束， 铝石榴石（YAG），长度大，直径小，
放大比较 但会导致系统体积较大，灵活性降低。 导光性能好。
由于在增益介质内部产生强烈畸变 引导泵浦和引导激光模式之间的 激光加热基座生长（LHPG）
的热透镜效应，块体晶体放大器受到光 重叠，产生良好的光学效率。可以实 技术可以生产小直径光纤（约
束退化的影响。由于这个基本限制，高 现平均功率高达 200W、光束质量良 1000μm），并且通过不断改进，目标
功率放大器的几何形状已经发展演进， 好的输出 ；尽管在更高功率下，热 是实现与用于高平均功率激光系统的
以改善这些材料内部的热管理。 光效应可以显著影响波导机制。这 经典光纤类似的纤芯 / 包层结构。然
由于增益介质的厚度较薄 Laser beam in free propagation 而，这种结构的制造是尚未实现的艰
（约 100μm），薄碟片单程的增 难挑战，特别是在需要维持线偏振的
益有限。因此，只能通过多程 情况下。尽管与传统光纤相比，相互
或再生技术实现有效放大。 Guided pump beam 作用长度减小，但是在任何情况下，
多程放大器使用精细的光 所得到的结构在高峰值功率脉冲方面
路使光多次穿过激光晶体，而 仍然受到与石英光纤相同的限制，并
再生放大器则使用昂贵的电光 且由于 YAG 材料更高的非线性性质，
调制器作为复杂光束切换过程 图1：单晶光纤（SCF）放大器的基本原理。 这些问题将进一步恶化。显然，这并

18 May/ Jun 2017 www.laserfocusworld.com.cn Laser Focus World China 激光世界