DILAS光纖耦合激光二極管促進高功率光纖激光器發(fā)展

        最近，高功率光纖激光器技術所取得的進展與高亮度光纖耦合激光二極管的進步緊密相關。今天，基于標準商用光纖、組件和976nm激光二極管，實現(xiàn)輸出波長為1 m的千瓦級光纖激光器已經(jīng)成為可能。人眼安全光纖激光器技術的發(fā)展，表明基于摻銩光纖和790nm泵浦激光二極管技術，將來很可能在2 m處實現(xiàn)千瓦級光纖激光器。 

        高功率激光二極管泵浦模塊 

        激光二極管泵浦模塊與光纖激光器間的常用接口是直徑100～200 m的光纖尾纖，其典型的數(shù)值孔徑為0.12～0.22。這些二極管尾纖通常被接入光纖合束器，以進一步提高泵浦功率長期以來，直徑100 m的光纖僅用于耦合激光二極管單管。在超過900nm的波長范圍內(nèi)，光纖耦合單管的功率水平已經(jīng)穩(wěn)步增加到10W以上，但在790～810nm的波長范圍內(nèi)，其功率小于10W。雖然目前單管至100/105 m光纖的耦合效率達90%以上，但由于單管在垂直方向上并未填滿光纖（理論因子為10～20），使得這種方式在亮度和光纖耦合功率方面都沒有達到最大值。 

        千瓦級高功率光纖激光器正在加快發(fā)展，隨著輸出功率的提高，這就需要更高亮度的泵浦模塊，隨之也就需要多個發(fā)光點的二極管陣列。這些新型高亮度二極管陣列具有增加的腔長，并與高亮度匹配微光學元件相結合，使單陣列中的多個發(fā)光點耦合入直徑100 m的光纖中成為可能。使用這種方法的最新成果，展示了通過一種牢固可靠的、經(jīng)過工業(yè)驗證的裝置獲得50W的功率輸出，其理論功率極限超過100W。由于采用這種陣列，這種設計實現(xiàn)了790nm波長范圍內(nèi)的高亮度模塊（如5mm陣列輸出20W，10mm陣列輸出40W）。通過波長鎖定和對光纖激光器的背反射光進行保護，可以往模塊中加入自由空間光學系統(tǒng)。 

        為了實現(xiàn)千瓦級的輸出功率，光纖激光器采用主振蕩功率放大（MOPA）結構，這需要具有更高功率（大于200W）的泵浦模塊。由于這種設計中使用的光纖的直徑可以增加到200 m，上文中提到的高亮度多陣列模塊，可以作為構建模塊（Building Block）以提高功率。通過光學疊加和偏振耦合，可將多個單元（6至10個）耦合到單根直徑為200 m、數(shù)值孔徑為0.2的光纖中。激光二極管產(chǎn)生的熱量通過一個大的銅制熱沉散發(fā)出去，從而可以使用工業(yè)用水或高性能半導體制冷器進行冷卻，而不需要使用冷卻微通道疊層所需的去離子水。一個具有四個激光二極管陣列的976nm光纖耦合模塊，能通過200 m的光纖實現(xiàn)超過200W的功率輸出。 

        為了獲得更加高的功率，并降低成本和增加亮度，需要對二極管激光器陣列進行優(yōu)化，其中包括降低微光學系統(tǒng)的復雜性。2007年德國DILAS半導體激光公司的一種新型設計展示了通過200 m光纖耦合模塊獲得的500W功率輸出，這種設計證實了填充因子（發(fā)光點截面尺寸除以間距）在10%范圍內(nèi)能實現(xiàn)兩種重要特性：由于消除了熱干擾，每個發(fā)光點的輸出功率與單管接近；由于發(fā)光點截面尺寸和間距之比為1 : 10，因此在慢軸方向（水平方向）獲得了優(yōu)化的光束準直效果。 

        通過將慢軸透鏡陣列和一個快軸準直（FAC）透鏡簡單組合，單陣列的所有發(fā)光點都能耦合到一根直徑為200 m的光纖中。通過合適的FAC透鏡和低Smile效應的陣列（水平偏差不超過0.1 m），對于一根直徑為200 m的光纖而言，理論上最多能實現(xiàn)30～40個陣列的光學疊加。但對增加功率而言，20個二極管陣列更加現(xiàn)實，其輸出功率將超過1200W。當功率超過數(shù)百瓦的時候，進入光纖的耦合效率和光纖連接器的散熱，將是最首要的問題。 

        基于商用光纖、泵浦合束器以及泵浦激光二極管的千瓦級高功率MOPA系統(tǒng)，可以實現(xiàn)225W的功率輸出。六個泵浦模塊的總功率為1.2kW，并被組合入一個錐形光纖束，然后泵浦一根摻鐿（Yb）雙包層光纖，該光纖直徑為400 m，數(shù)值孔徑為0.46?；谀K的高斜率效率泵浦，這種光纖激光器比較容易實現(xiàn)具有單模光束質(zhì)量，超過1kW的功率輸出。這種MOPA結構的好處在于具有對不同輸入種子源的靈活性和兼容性。美國Nufern公司已經(jīng)研發(fā)了這種放大器的保偏（PM）版，能提供比其他設計更窄的線寬。 

        目前的千瓦級光纖放大器已在8GHz線寬下進行了測試，隨著受激布里淵散射技術被應用到更高的功率水平，千瓦級光纖放大器很可能將實現(xiàn)單頻線寬輸出。盡管對于很多工業(yè)材料加工來講，線寬和偏振的控制并不重要，但是對于很多軍事應用（光束疊加）來講，這兩點至關重要。而且我們還發(fā)現(xiàn)，在相同的功率水平上，這些高功率放大級比它們的振蕩器更加有效，不論是從激光二極管成本還是從總的功率轉(zhuǎn)換效率來看，這可以說是一個優(yōu)點。目前，高亮度976nm二極管的電光轉(zhuǎn)換效率約為45%，由此獲得的放大器總的電光轉(zhuǎn)換效率約為35%。隨著激光二極管材料的改進，電光轉(zhuǎn)換效率還有望進一步提高。 

        人眼安全光纖激光器 

        最近，大多數(shù)高功率光纖激光器的開發(fā)都使用摻鐿光纖，泵浦波長在9xx nm，輸出波長大約在1080 nm。然而，工作在人眼安全波段（波長約大于1.4 m）的高功率、高效率光纖激光器，也是軍事、工業(yè)和醫(yī)學應用感興趣的話題。最近，工作在2 m左右的摻銩（Tm）光纖激光器所取得的進展，已經(jīng)使單個光纖激光器的輸出功率接近1kW。 

        實現(xiàn)上述1kW功率的關鍵在于：對泵浦摻銩光纖的790nm激光二極管進行優(yōu)化，特別是要在較高的電光效率下實現(xiàn)所需的高功率和高亮度。 

        這種泵浦技術與高效率摻銩光纖的最新進展相結合，已經(jīng)使人眼安全光纖激光器技術達到25%的（功率轉(zhuǎn)換）效率。隨著激光二極管材料的繼續(xù)成熟，這些新工作波長的光纖激光器也將得到進一步改進。