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火爆在即！大功率超快光纖激光器
脈沖持續(xù)時(shí)間在飛秒和皮秒范圍內(nèi)的超快激光器目前在許多工業(yè)制造過程中起著重要作用，這些激光在高質(zhì)量、“冷加工”中的價(jià)值，再加上激光技術(shù)、工藝開發(fā)、光束處理和交付方面的進(jìn)步，為眾多先進(jìn)的科學(xué)和工業(yè)應(yīng)用打開了大門。
現(xiàn)在，使用錐形雙包層光纖（T-DCF）放大器的最新技術(shù)提供了一種具有高空間效率格式且具有出色光束特性的高功率發(fā)展前景，最顯著的是，其生產(chǎn)成本僅比普通光纖高。這意味著這些超快激光器的每瓦成本日益重要，可以通過提高處理速度和精度獲得快速的投資回報(bào)。
過去十年中，通過使用包層泵浦光纖架構(gòu)（例如NKT Photonics aeroGAIN－ROD1），稀土摻雜光纖源的輸出功率急劇上升，導(dǎo)致了一系列具有卓越性能的光纖設(shè)備光束質(zhì)量，總體效率以及工作波長(zhǎng)和輻射格式的靈活性方面的性能。盡管使用Amphos InnoSlab技術(shù)等新配置也使固態(tài)高功率超快技術(shù)取得了重大進(jìn)步，但固態(tài)增益材料的高成本和熱管理方面的挑戰(zhàn)仍可能對(duì)其廣泛采用構(gòu)成重大障礙。
歐盟委員會(huì)（EC）資助了PULSE項(xiàng)目，以支持具有競(jìng)爭(zhēng)力的技術(shù)的開發(fā)，這些技術(shù)可實(shí)現(xiàn)更快，更精確和非熱的激光制造。Ampliconyx Oy和包括菲亞特·克萊斯勒在內(nèi)的歐洲合作伙伴聯(lián)盟現(xiàn)在正在開發(fā)一種T-DCF激光器，該激光器可提供高達(dá)2.5 kW的功率，脈沖持續(xù)時(shí)間短至100 fs，重復(fù)頻率高達(dá)1GHz。完整的激光處理系統(tǒng)將使用多邊形掃描儀技術(shù)和光纖集成光學(xué)器件，以高達(dá)1.5 km／s的掃描速度處理大功率超短脈沖，從而提供最小10μm的光斑。
大功率超快光纖激光器的興起
超快脈沖激光器已經(jīng)呈指數(shù)增長(zhǎng)，已申請(qǐng)專利的數(shù)量從每年約100到500增加了五倍。飛秒激光加工使許多先進(jìn)的利基應(yīng)用受益，包括在光子學(xué)，微電子學(xué)，MEMS和許多其他市場(chǎng)。
光纖激光器，固態(tài)激光器和磁盤激光器是產(chǎn)生高平均功率的最有希望的候選者。與固態(tài)和盤形激光器相比，光纖激光器的突出特點(diǎn)是結(jié)構(gòu)緊湊，堅(jiān)固耐用，效率高，易于熱管理以及光束質(zhì)量可靠。顯著降低的生產(chǎn)和維護(hù)成本也使基于光纖的方法對(duì)于皮秒和飛秒高重復(fù)頻率千瓦級(jí)激光器的開發(fā)非常有吸引力。
當(dāng)今高平均功率光纖激光器一般采用啁啾脈沖放大（CPA）技術(shù)，但是，在基于升壓光纖的放大器中，即使對(duì)于高度擴(kuò)展的脈沖，光峰值強(qiáng)度也會(huì)變得非常高，從而產(chǎn)生有害的非線性脈沖失真，甚至?xí)茐脑鲆娼橘|(zhì)或其他光學(xué)元件。此外，在脈沖高功率系統(tǒng)中，經(jīng)常會(huì)出現(xiàn)其他非線性效應(yīng)，例如自相位調(diào)制，受激拉曼散射（SRS），模式不穩(wěn)定性以及較差的輸出光束質(zhì)量，從而限制了它們的性能。
解決脈沖信號(hào)放大問題的主要方法是增大光纖的纖芯直徑。開發(fā)了具有大模態(tài)面積的特殊活性纖維，以增加活性纖維的表面積與活性體積之比，從而改善散熱并提高非線性效應(yīng)的閾值，從而實(shí)現(xiàn)功率縮放。最先進(jìn)的基于高功率光纖的技術(shù)已經(jīng)在單個(gè)脈沖放大通道2中達(dá)到了＞1 kW，并為未來的超短多千瓦級(jí)光纖激光器系統(tǒng)奠定了基礎(chǔ)。
已經(jīng)開發(fā)出幾種具有大有效模式面積（LMA）的有源光纖，以實(shí)現(xiàn)高功率縮放。它們是具有低孔徑纖芯，微結(jié)構(gòu)桿狀纖維，螺旋纖芯或手性耦合纖芯纖維和T－DCF的著名LMA纖維。用這些低孔徑技術(shù)獲得的模場(chǎng)直徑（MFD）通常不超過20–30μm。微結(jié)構(gòu)棒狀纖維具有高達(dá)65μm的更大的MFD，并且性能良好。最近，包含大間距光纖（LPF）的飛秒主振蕩器功率放大器（MOPA）展示了令人印象深刻的2.2 mJ脈沖能量。然而，LPF的制造非常復(fù)雜，需要大量的技術(shù)處理，例如對(duì)纖維預(yù)成型件的精密鉆孔，從而導(dǎo)致更高的生產(chǎn)成本。這些纖維對(duì)彎曲也非常敏感，這意味著要獲得足夠的堅(jiān)固性可能會(huì)很困難，而且使用LPF很難設(shè)想合理的生產(chǎn)成本。
克服光纖激光功率縮放中的非線性影響
T-DCF是基于大功率光纖的CPA系統(tǒng)的有希望的替代方案之一，它可以最大程度地減少非線性影響，同時(shí)通過將其替換為單級(jí)來簡(jiǎn)化正常的多級(jí)放大鏈。T-DCF是使用特殊的光纖拉制工藝形成的雙包層光纖，其中控制溫度和拉力以沿著光纖的長(zhǎng)度形成錐度，通過使用預(yù)包層的光纖預(yù)型件，纖芯以及內(nèi)包層和內(nèi)包層的直徑和厚度均沿光纖的全長(zhǎng)變化。
形成錐形幾何形狀的雙包層光纖的結(jié)果是引入細(xì)端的光在寬纖芯中傳播，而不改變模式含量。眾所周知，依次增加多個(gè)系列的圓柱形光纖放大器的直徑通常會(huì)增加不必要的非線性效應(yīng)的閾值，T-DCF設(shè)計(jì)在單根光纖中融合了這一優(yōu)勢(shì)，結(jié)果，光放大通過提高非線性效應(yīng)（包括布里淵和拉曼散射）的刺激閾值來保持出色的光束質(zhì)量。
由于其特定的幾何形狀，T-DCF技術(shù)可用于直接放大寬范圍的脈沖信號(hào)：從短（數(shù)十皮秒）到長(zhǎng)（高達(dá)數(shù)百納秒）和從窄（幾十皮秒）皮米（幾米）到寬線寬（幾十納米）。根據(jù)研究，使用具有0.11數(shù)值孔徑（NA）的最大端芯直徑達(dá)200μm的錐形光纖，記錄了峰值功率和能量放大水平，并記錄了具有300μJ能量且無非線性失真的60ps脈沖。
光纖的雙包層結(jié)構(gòu)意味著其纖芯可以以比僅在纖芯中傳播的功率更高的功率被泵浦，與具有類似水平的活性離子摻雜的圓柱形光纖相比，在錐形光纖中每單位長(zhǎng)度的泵浦光的吸收和轉(zhuǎn)換更高，這是由于改進(jìn)的包層模式混合以及由于包層更厚而在錐的較厚端具有更高的吸收，這也意味著，稀土離子摻雜劑可以有效地集中在T-DCF的寬端，因?yàn)閹缀涡螤顚⑵浯嬖谂c直徑的平方成正比。
T-DCF生產(chǎn)簡(jiǎn)單，組裝緊湊
T-DCF的最大優(yōu)勢(shì)之一是生產(chǎn)簡(jiǎn)單。特殊大功率纖維（微結(jié)構(gòu)棒狀纖維，3C或LCF）的預(yù)成型件生產(chǎn)涉及復(fù)雜的技術(shù)和嚴(yán)格的結(jié)構(gòu)要求，相比之下，T-DCF是使用標(biāo)準(zhǔn)纖維預(yù)制棒制成的。簡(jiǎn)單的生產(chǎn)技術(shù)會(huì)在牽拉過程中改變拉伸速度，從而導(dǎo)致纖維直徑沿其長(zhǎng)度變化，T-DCF的生產(chǎn)幾乎與常規(guī)活性纖維的生產(chǎn)一樣簡(jiǎn)單。T-DCF光纖的直徑可以縮小到35 cm，這使得高功率放大器封裝非常緊湊，而性能卻不會(huì)下降。
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