知识分享:全面解读光纤和光纤天庄国际登录!

来源:激光行业观察    关键词:光纤天庄国际登录, 激光技术,    发布时间:2020-02-13

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本文作者楼祺洪、张海波、袁志军,中国科学院上海光学精密机械研究所,仅供交流学习之用,感谢分享!

光纤是光导纤维的简称,通常是一种圆柱形的光波波导。它利用全反射的原理把光波约束在纤芯,并引导光波沿着光纤轴线方向传输。用石英玻璃代替铜线改变了世界。

光纤作为一种传导光波的介质,自1966年被高锟提出以来,凭借其通信容量大、抗干扰能力强、传输损耗低、中继距离长、保密性能好、适应能力强、体积小、重量轻、原材料来源丰富等优点被广泛应用。被人们称为“光纤之父”的高锟也因此获得了2009年的诺贝尔物理学奖。随着光纤性能的日趋完美和实用化,光纤对电信行业的变革产生了革命性的推动,它已经基本取代铜线成了现代通信中的核心组成部分。

光纤通信系统是一种以光为信息载波、光纤为导波介质的通信系统,光纤传输信息时,把电信号转变为光信号,然后在光纤内部进行传输。作为一项新兴的通信技术,光纤通信从一开始就显示出了无比的优越性,引起了人们的极大兴趣和广泛关注。光纤在通信中的广泛应用也同时促进了光纤放大器和光纤天庄国际登录的飞速发展。除了通信领域,光纤系统在医学、传感等领域也有广泛的应用。

光纤

光纤天庄国际登录的增益介质为有源光纤.按其结构可以分为单模光纤,双包层光纤和光子晶体光纤三种。单模光纤单模光纤由纤芯、包层和涂覆层组成,其中纤芯材料的折射率n1,比包层材料折射率n2要高.当入射光的入射角大于临界角时,光束在纤芯内发生全发射,因而光纤能够将光束缚在纤芯内传播。单模光纤的内包层对多模泵浦光不能起到约束作用,并且纤芯的数值孔径低,因此只能采用单模泵浦光耦合进入纤芯才能获得激光输出。早期的光纤天庄国际登录都是采用这种单模光纤,导致耦合效率低,天庄国际登录只有毫瓦量级的输出功率。

双包层光纤

为了克服常规单模单包层掺镱(Yb3+)光纤对转化效率和输出功率的限制,莫勒(R.Maurer)在1974年首先提出了双包层光纤的概念。此后直到1988年斯尼泽(E.Snitzer)等人提出了包层泵浦技术,高功率掺镱光纤天庄国际登录/放大器才得以快速发展。

双包层光纤是一种具有特殊结构的光纤,比常规光纤增加了一个内包层,由涂覆层、内包层、外包层、掺杂纤芯所构成。包层泵浦技术以双包层光纤为基础,其核心在于让多模泵浦光在内包层中传输,激光在纤芯中传输,使得泵浦转换效率和光纤激光的输出功率都能得到较大的提高。双包层光纤的结构、内包层的形状、泵浦光耦合方式等是这项技术的关键所在。双包层光纤的纤j卷由掺稀土元素的二氧化硅(SiO2)构成,在光纤天庄国际登录中既是激光介质又是激光信号的传输通道,对应工作波长一般通过设计其数值孔径和芯径直径减小其V参数,以保证输出激光是基横模。内包层横向尺寸(常规纤芯直径的数十倍)和数值孔径比纤芯大得多,折射率比纤芯小,可限制激光完全在纤芯内传播。这样在纤芯和外包层之间形成了一个大截面、大数值孔径的光波导,它可以允许大数值孔径、大截面和多模的高功率泵浦光耦合到光纤中,并被限制在内包层以内传输,不扩散,有利于保持高功率密度光泵浦。外包层是由折射率比内包层小的聚合物材料构成;最外层是由有机材料构成的保护层。双包层光纤对泵浦光的耦合面积由内包层尺寸决定,而不像传统单模光纤仅由纤芯决定。这样双包层光纤构成了一种双层的波导结构,一方面提高了人纤激光的功率耦合效率,使泵浦光在内包层内传导时,多次穿越纤芯激发掺杂离子发射激光;另一方面输出光束质量由纤芯性质决定,内包层的引入没有破坏光纤天庄国际登录输出的光束质量。

最初,双包层光纤的内包层结构是圆柱对称的,它的制作工艺相对简单,也易于与泵浦激光二极管(LD)的尾纤相耦合连接,但是其完美的对称性导致内包层中的泵浦光存在大量的螺旋光线,这些光线即使经历足够多次的反射也永远不能到达纤芯区域,从而不可能被纤芯吸收,于是即使采用较长的光纤仍然会有大量的漏光存在,使得转换效率难以提高。为此,必须破坏内包层的圆柱对称结构。

光子晶体光纤

在普通双包层光纤中,纤芯的几何尺寸决定了输出激光功率的大小.数值孔径决定了输出激光的光束质量。由于光纤中非线性效应、光损伤等物理机制的限制,单一增加纤芯直径的手段,无法满足大模场双包层光纤在高功率输出时单模运转的需求。特种光纤的出现,如光子晶体光纤(PCF),为解决这一难题提供了有效的技术途径。

光子晶体的概念最初由雅布罗诺维奇(E.Yablonovitch)于1987年提出,即不同介电常数的介质材料在一维、二维或三维空间内组成具有光波长量级的周期性结构,在此晶体中产生允许光传播的光子导带和禁止光传播的光子带隙(PBG)。通过改变不同介质的排列方式及分布周期,可以引起光子晶体性质上的许多变化,从而实现特定的功能。PCF是二维的光子晶体,又被称为微结构光纤或者多孔光纤。1996年,奈特(J.C.Knight)等人拉制出首根PCF,其导光机制与传统光纤的全内反射导光类似。第一根依靠光子带隙原理导光的PCF诞生于1998年。2005年以后,大模场PCF的设计和制备方法开始多样化,出现了各种形状的结构,包括泄露通道PCF、棒状PCF、大间距PCF以及多芯PCF等。光纤的模场面积也相应不断提高。

在外观上,PCF与传统的单模光纤非常相似,但在微观上却表现出复杂的孔阵结构。正是这些结构特点,赋予了PCF独特的、传统光纤无法比拟的众多优点,如无截止单模传输、大模场面积、色散可调和低限制损耗等性能,可以克服传统天庄国际登录的诸多难题。比如,PCF可以在实现大模场面积下的单模运转,在保证光束质量的同时,显著降低光纤中的激光功率密度、减小光纤中的非线性效应、提高光纤的损伤阈值;可实现大数值孔径,这意味着可以实现更多的泵浦光耦合、更高功率激光的输出。PCF的这些优点,引起了世界范围内的一系列研究热潮,使它成为光纤天庄国际登录中一个新的研究亮点,在高功率光纤天庄国际登录的应用中发挥着越来越重要的作用。

光纤天庄国际登录的发明

以光纤作为激光增益介质的天庄国际登录被称为光纤天庄国际登录。与其他类型的天庄国际登录一样,由增益介质、泵浦源和谐振腔三个部分组成。光纤天庄国际登录使用纤芯中掺杂有稀土元素的有源光纤作为增益介质。一般采用半导体天庄国际登录作为泵浦源。而谐振腔则一般利用反射镜、光纤端面、光纤环形镜或光纤光栅等器件构成。

根据光纤天庄国际登录的时域特性,可以分为连续光纤天庄国际登录和脉冲光纤天庄国际登录;根据谐振腔结构不同,可以分为线形腔光纤天庄国际登录、分布反馈式光纤天庄国际登录和环形腔光纤天庄国际登录;根据增益光纤和泵浦方式的不同,可以分为单包层光纤天庄国际登录(纤芯泵浦)和双包层光纤天庄国际登录(包层泵浦)。

在1961年,斯尼泽就在掺钕(Nd)的玻璃波导中发现了激光辐射。1966年,高锟详细研究了光纤中光衰减的主要原因,并指出了光纤在通信中实际应用所需要解决的主要技术问题。1970年,美国的康宁公司开发出衰减小于20分贝/千米的光纤,为光通信和光电子技术产业的发展奠定了基础。这一技术突破也极大地促进了光纤天庄国际登录的发展。20世纪七八十年代,半导体天庄国际登录技术的成熟和商品化为光纤天庄国际登录的发展提供了可靠而又多样化的泵浦源。与此同时,化学气相沉积法的发展使得光纤的传输损耗不断降低。光纤天庄国际登录也向着多样化的方向迅速发展,光纤中掺杂多种稀土元素,如铒(Er3+)、镱(Yb3+)、钕(Nd3+)、钐(Sm3+)、铥(Tm3+)、钬(Ho3+)、镨(Pr3+)、镝(Dy3+)、铋(Bi3+)等。根据所掺杂的离子不同,可以实现不同波长的激光输出。满足不同的应用要求。

高功率光纤天庄国际登录的特点

高功率光纤天庄国际登录的优点具体表现如下。

(1)光束质量好。光纤的波导结构决定了光纤天庄国际登录易于获得单横模输出,且受外界因素影响很小,能够实现高亮度的激光输出。

(2)高效率。光纤天庄国际登录通过选择发射波长和掺杂稀土元素吸收特性相匹配的半导体天庄国际登录为泵浦源,可以实现很高的光一光转化效率。对于掺镱的高功率光纤天庄国际登录,一般选择915纳米或975纳米的半导体天庄国际登录,由于Yb3+的能级结构简单,上转换、激发态吸收和浓度猝灭等现象较少出现,荧光寿命较长,能够有效储存能量以实现高功率运作。商业化光纤天庄国际登录的总体电光效率高达25%,有利于降低成本,节能环保。

(3)散热特性好。光纤天庄国际登录是采用细长的掺杂稀土元素光纤作为激光增益介质的,其表面积和体积比非常大。约为固体块状天庄国际登录的1000倍,在散热能力方面具有天然优势。中低功率情况下无需对光纤进行特殊冷却,高功率情况下采用水冷散热,也可以有效避免固体天庄国际登录中常见的由于热效应引起的光束质量下降及效率下降。

(4)结构紧凑,可靠性高。由于光纤天庄国际登录采用细小而柔软的光纤作为激光增益介质,有利于压缩体积、节约成本。泵浦源也是采用体积小、易于模块化的半导体天庄国际登录,商业化产品一般可带尾纤输出,结合光纤布拉格光栅等光纤化的器件,只要将这些器件相互熔接即可实现全光纤化,对环境扰动免疫能力高,具有很高的稳定性,可节省维护时间和费用。

高功率光纤天庄国际登录也有难以克服的缺点:一是易受非线性效应的制约。光纤激光由于其波导的几何结构,有效长度较长,各种非线性效应的阈值较低。一些有害的非线性效应如受激拉曼散射(SRS)、自相位调制(SPM)等会造成相位的起伏和频谱上能量的转移,甚至是激光系统的损伤,限制了高功率光纤天庄国际登录的发展。二是光子暗化效应。随着泵浦作用时间的增加,光子暗化效应会导致高掺杂浓度的掺稀土元素光纤的功率转换效率单调不可逆地下降,制约着高功率光纤天庄国际登录的长期稳定性和使用寿命,这一点在掺镱的高功率光纤天庄国际登录中尤为明显。

随着高亮度光纤耦合半导体天庄国际登录和双包层光纤技术的进步,高功率光纤天庄国际登录的输出功率、光光转换效率和光束质量得到了长足发展。在工业加工、定向能武器、长距离遥测、激光雷达等应用领域的巨大需求牵引下,以美国阿帕奇光电(IPG Photonics)公司、钮芬(Nufern)公司、恩耐(Nlight)公司和德国通快集团为主的研究单位对连续波、脉冲波高功率光纤天庄国际登录进行了积极研发,推出了丰富的产品线。国内清华大学、国防科技大学、中科院上海光学精密机械研究所和中国航天科工集团第四研究院等多家单位也报道了令人振奋的成果。

光纤天庄国际登录功率提升技术

由于光纤激光中的非线性效应、热效应以及材料损伤阈值等的限制,单路光纤天庄国际登录的输出功率受到一定的限制,并且随着功率的升高,光束质量逐渐下降,需要采用模式控制技术和设计特殊结构的新型光纤才能改善光束质量。道森(J.W.Dawson)等人在理论上分析了单根光纤的输出功率极限,计算表明在宽带光纤天庄国际登录中单根光纤可获得最高功率为36千瓦的近衍射极限激光输出,而对于窄线宽光纤天庄国际登录,最高功率为2千瓦。为了进一步提升光纤激光与放大器的输出功率,通过相干合成技术将多路光纤激光进行功率合成是一种有效的方法。成为近年来国际上的研究热点。

相干合成是通过控制各路激光束的相位、频率、偏振具有一定的一致性,使其满足相干条件,获得同相锁定输出,其可以获得比简单的非相干叠加高得多的峰值强度,并且保持良好的光束质量。相干合成技术的发展历史和天庄国际登录本身的历史几乎一样长,而且涉及气体天庄国际登录、化学天庄国际登录、半导体天庄国际登录、固体天庄国际登录等各种类型,但是由于早期各种器件的不成熟,相干合成技术取得的实验结果没有突破当时相应单链路激光的最大输出功率,因此效果不甚明显。从1990年代开始,光纤天庄国际登录的出现使得相干合成技术获得了突飞猛进的发展。其原因除了光纤天庄国际登录本身独特的优势和百千瓦战术使用的需求外,光纤通信商业推广过程中配套产生的几种器件(即光纤熔锥耦合器、多芯光纤、带尾纤的相位调制器与声光移频器等)起到了至关重要的作用。光纤熔锥耦合器、多芯光纤使得基于激光能量注入耦合和倏逝波耦合的被动相位控制十分便利,带尾纤的相位调制器与声光移频器使得主动相位控制能够具备兆赫量级的控制带宽,可以用于控制大功率条件下的相位起伏,实现锁相输出。研究人员提出了许多各具特色的相干合成方案。

光谱合成技术属于一种非相干合成技术,采用一块或多块衍射光栅将多路子光束衍射至同一孔径内,从而实现单一孔径输出,得到较好的光束质量。光纤天庄国际登录的光谱合成可以充分利用掺镱光纤天庄国际登录较宽的增益带宽来弥补单根光纤激光输出功率受限的缺陷,以获得高功率、高光束质量的激光输出,是未来高功率光纤天庄国际登录重要的技术路径之一。

近年来,上海光机所在高功率光纤激光以及光谱合成方面进行了大量的研究,在器件制备、关键技术突破和光谱合成系统等方面均取得了重要突破。在窄线宽高功率光纤放大器方面,该所于2016年采用自主研发的光纤光栅、高功率光纤合束器、包层光滤除器等核心器件,基于光纤光栅级联滤波、线宽操控、放大级参数控制和光纤模式控制等关键技术,突破了德国耶拿大学研究组报道的线宽小于50吉赫激光的单模输出功率极限.实现了功率为2.5千瓦、线宽为0.18纳米(50吉赫)、中心波长为1064.1纳米的近衍射极限光纤激光输出。该天庄国际登录采用紧凑、稳定的全光纤化种子和三级放大结构,天庄国际登录具有很好的稳健性,主放采用非保偏20微米/400微米光纤。增加可用的泵浦功率,可进一步提升激光输出功率。

在光谱合成方面,金属膜系反射式衍射光栅损伤阈值较低,很难承受高功率激光的辐照,不易实现高功率的光谱合成。2016年8月,采用7台窄线宽光纤天庄国际登录以及高损伤阈值偏振非相关多层电介质衍射光栅(MLDG)实现了11.27千瓦高光束质量的光谱合成,在高功率光纤激光光谱合成方面取得了很大的进展。

高功率光纤天庄国际登录的典型应用

光纤天庄国际登录因其光束质量好、电光效率高、结构紧凑、可靠性好等优点,在工业加工、医疗、遥感、安防、科研等领域有全方位的优异表现。

在工业领域,按照输出功率可以将光纤天庄国际登录划分为三个层次:低功率光纤天庄国际登录(<50瓦),主要应用于微结构加工、激光打标、调阻、精密钻孔、金属雕刻等;中功率光纤天庄国际登录(50~500瓦),主要应用于薄金属板的打孔、焊接、切割和表面处理;高功率光纤天庄国际登录(>1000瓦),主要应用于厚金属板的切割、金属表面涂覆、特殊板材的三维加工等。光纤的柔性特征,能够很好地与机器手臂结合起来,满足各种复杂工业环境的应用要求。近年来兴起的天庄国际注册技术,尤其需要这种高亮度的激光系统。

在医疗领域,最理想的激光波长是1.3微米,可用于诊断成像;1.5微米(水的吸收峰)到4微米之间则可用于外科手术。对于医疗应用,光纤天庄国际登录最大的优势是其紧凑小巧,可弯曲的几何结构。具有宽光谱范围,高输出功率的短相干波长光源是获得高速、超高分辨率的光相干层析成像系统的关键。掺铒光纤天庄国际登录和掺镱的拉曼光纤天庄国际登录具有光学相干层析成像典型的要求:结构小巧紧凑、坚固耐用、价格合理、相对高的功率和无需光学校准仍可达到较高的分辨率。高功率的掺铒光纤天庄国际登录和掺铥光纤天庄国际登录则非常适合于医疗手术应用。研究人员发现激光不但可以快速切除和凝结软组织,而且在1.94微米波长内具有止血功能。而且由于光纤天庄国际登录优异的光束质量,其手术具有很高的精度。

在遥感领域,中红外光纤天庄国际登录如掺铒光纤天庄国际登录和掺铥光纤天庄国际登录的输出波长位于大气窗口,能够低损耗地穿过大气。尤其是掺铥光纤天庄国际登录在人眼安全波段更容易获得高功率输出,在功率放大方面更具有优势。光纤天庄国际登录的另外一个优点是简洁小巧、便携性好,这将有助于降低航空或航天飞行载具的负荷。

在国防军事领域,激光在雷达探测、保密通信、制导、杀伤等方面均有广泛应用。从光纤天庄国际登录诞生起,就以其独特的优势成为新一代激光武器的热门候选光源。光纤天庄国际登录的高光束质量特别适合远距离传输能苗,其相对其他光源更加小巧的体积有利于发射平台实现高机动性,提高在战场上的适应能力和存活能力。在阿富汗战场,斯巴特(SPATA)公司的“宙斯”激光扫雷系统就执行了扫雷任务。从2009年开始,美国海军就多次用光纤激光系统击毁过无人机、炮弹、小型舰艇等同标,2014年已在军舰上列装。2012年,德国的国防军火商莱茵金属(Rheinmetall)公司推出了一款输出功率达50千瓦的双管激光系统,在演示实验中拦截击毁了无人机、炮弹等目标。

激光武器

激光武器是一类正在迅速发展中的新概念武器。激光武器以光速将高能量激光发射到目标表面,通过毁伤光电侦测、导航和制导等关键装置,或使目标“失明、致盲”,或烧穿毪行物壳体,将其击落,或引爆燃料,使其空中爆炸,短时问内即可完成毁伤任务,具有能量集中、传输速度快、能多次重复使用、效费比高、移转火力快、抗电磁干扰等优点。激光武器自诞生以来,其发展经历了多次起伏,光纤天庄国际登录等固体天庄国际登录技术的成熟,为激光武器的发展注入了新动力,成为当前主要军事强国的研究重点。目前,美国、英国、俄罗斯、德国、印度等国均启动了激光武器的研制,并开展了相关测试,激光武器进入战场已经指日可待。

为了应对无人机、偷袭性小艇等非对称威胁,提高舰艇的近防能力,美国海军于2010年正式开始研制“激光武器系统”(LaWS),2014年9月,该系统开始在“庞塞”号两栖船坞运输舰上部署,并进行为期一年的作战测试评估。LaWS系统由雷神公司牵头研制,波音公司和洛克希德·马丁公司也参与了部分工作。LaWS最大限度地依靠现有商用技术和元器件以求降低研发和采购成本。LaWS原型机由6台工业用光纤天庄国际登录组成,工作中这6台天庄国际登录发出的激光束经光束合成,可得到功率为30千瓦的激光束。激光武器系统使用成本低,根据有关部门的估算,单次照射的边际成本仅为l美元,与每枚导弹动辄数万或数十万美元的价格形成鲜明对比。

2016年,美国海军研究局启动新型舰载高能激光武器系统研制,输出功率可达150千瓦,是此前上舰测试的LaWS系统样机的5倍。该项目耗时12个月,5300万美元,分三阶段研发“激光武器系统演示样机”:第一阶段主要完成初始设计,第二阶段开展地面测试,第三阶段将在海军自防御测试舰上进行测试。

2014年,中国工程物理研究院联合上海光机所等单位研发了“低空卫士”系统。在演示验证实验中成功击落固定翼、多旋翼、直升机等多种小型航空器30余架次,击落率为100%。该系统发射功率近万瓦,低空有效护卫面积为12平方千米,能在5米内精准拦截固定翼(半径为2千米、360度空域)等多种航空器,具有快速、准确、无附带损伤的特点。

2015年.洛克希德·马丁公司使用一台30千瓦激光武器(ATHENA)摧毁了一辆一英里外的卡车。2017年3月,该公司表示其已经完成60千瓦激光武器系统研发工作,其正在将“组束”激光武器运到位于阿拉斯加的美国陆军指挥中心。该公司的首席技术师杰克逊(K.Jackson)在一份声明中称:“光纤激光武器正带来定向能系统的革命性改变,这项测试也让我们进一步接近于研制出可用于军用飞机、直升机、船只和卡车的轻量级固定激光武器系统。”研究证明强大的定向动能激光现在已经足够轻、足够小、足够可靠,可在地面、海上和空中部署于战术平台上进行防御。

总结

总而言之,从整个激光技术的发展趋势来看,光纤激光技术代表了高功率、高亮度激光的发展方向.它把波导光纤技术与半导体激光泵浦技术有机地融为一体。以光纤为载体的高功率光纤激光有望满足未来激光先进制造和军事国防等领域对高功率、高效率天庄国际登录的迫切需求,是一种对国民经济和国家安全均有重要战略意义的前沿技术。高功率光纤天庄国际登录在能源勘探、大科学装置、空间科学、环境科学等领域也表现出了巨大的应用潜力,将会成为人类认识世界、改造世界的有力工具。

以上内容作者楼祺洪、张海波、袁志军,中国科学院上海光学精密机械研究所,仅供交流学习之用,如有任何疑问请留言与我们联系!