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Optica:基于空芯光纤的2.2kW单模窄线宽激光传输

撰稿人 |  薪胆居士


论文题目 | 2.2 kW single-mode narrow-linewidth laser delivery through a hollow-core fiber

作者M. A. Cooper, J. Wahlen, S. Yerolatsitis, D. Cruz-Delgado, D. Parra, B. Tanner, P. Ahmadi, O. Jones, Md. S. Habib, I. Divliansky, J. E. Antonio-Lopez, A. Schülzgen and R. Amezcua Correa


完成单位 | 美国中佛罗里达大学

研究背景

      高功率激光在精密加工、增材制造、超快物理、自由空间光通信、定向能量传输、光纤供能等关键领域有着广泛而重要的应用。在科研或者工程实践中,通常需要灵活控制激光在目标上的入射角度和位置。以激光焊接为例,需要光束沿着焊缝移动,当工件形状较为复杂时还需要调整入射角度。在这一类场景中,通常激光器和工件中哪个的尺寸和重量较小,就把哪个安装在移动部件上。但若两者都比较大或者比较重时,调整起来就比较困难。在这种情况下,利用光纤来传输高功率激光,仅调整光纤出光口的位置和角度就成为一个很好的解决方案。

论文导读

      高功率激光应用普遍对光束质量都有着较高的要求,例如需要将光束聚焦到接近衍射极限以获得足够的加工精度和准确性,用单模光纤来传输激光可以较好地满足这一需求。然而,受光纤中的克尔效应、受激拉曼散射(SRS)和受激布里渊散射(SBS)等非线性效应的影响,常规阶跃折射率光纤在光束质量、传光功率和传输距离上受到了很大的限制,表现不尽如人意。有鉴于此,学者们将空芯光纤引入了这一研究领域。根据光子带隙的概念和原理,通过合理设计空芯光纤的结构可以有效的抑制光纤中的非线性效应,同时保证较好的单模传输特性。

      美国中佛罗里达大学光学与光子学学院的R. Amezcua Correa等人设计了一种五管嵌套的单模抗谐振空芯光纤,以中心波长1080nm、线宽63GHz的连续激光器作为光源,在104.5m距离上实现了2.2kW的高功率传输,输出光束质量(M2)为1.03,传输效率达到95%。相关成果以2.2 kW single-mode narrow-linewidth laser delivery through a hollow-core fiber为题发表在Optica上。

技术突破

      该文所设计的嵌套式抗谐振无节点光纤(nested antiresonant nodeless fiber, NANF)结构如图1所示。该五管嵌套结构具有高阶模损耗大,基模损耗小的特点。作者通过数值模拟(有限元/COMSOL Multiphysics)对空芯光纤的结构进行了优化设计。主要的优化依据是光纤的损耗和基模的模场直径(MFD)。优化后,纤芯的直径约为23μm,外管和嵌套管的厚度为780nm±10nm。

图1 空芯光纤的特征。(a) 五管嵌套NANF的扫描电镜照片。(b) 数值模拟(红)与测量(蓝)得到的损耗谱。

      作者使用宽带光源(NKT SuperK COMPACT)通过先后测量不同长度空芯光纤(463和100米)的透射谱,利用两者的差值来评估其损耗特性,结果如图1b蓝色曲线所示。在中心波长1080nm时损耗为0.79dB/km。作者使用4F成像镜组(10×)测得光纤输出端的MFD为17.1μm。

图2 (a) 高功率激光传输实验装置图。光源为高功率连续光纤激光器。LMA,大模式面积光纤;SMF,单模光纤;L1、L2、L3、L5、L6,平凸透镜;L4,双凹透镜;W1、W2,光楔;PM,功率计;OSA,光谱仪;M1,平凹透镜。(b) 入射光功率为2.3kW时,光纤入射端和包层光滤除器(CLS)处的热成像结果。(c) 6.25 m传输实验中的NANF,缠绕直径30cm。(d) 104.5 m传输实验中NANF的近红外图像。

      高功率激光传输实验装置如图2所示。光源为无偏振的连续光纤激光器,线宽为86GHz,M2为1.06±0.02,输出功率2315W。如图2a所示,高功率激光从光纤激光器的大模式面积光纤(LMA)输出后,首先由平凸透镜L1准直,然后经L2耦合(间距20cm)进入NANF。经过严谨的光学设计和五轴平移台的精确对准,入射耦合效率达到98%。NANF的输出经L3准直后,由L4导入功率计(Ophir 5000W-BB-50)。L1、L2、L3和L4均镀有增透膜,反射率小于0.1%。光楔W1利用表面反射从输出光束中分出很少的一部分用于输出光的特性分析,具体包括:光谱特性分析(OSA/Thorlabs OSA202C)、光强的空间分布分析(Camera)和光束质量(M2/Thorlabs BP209-IR2)分析。

      作者在NANF入射端后面通过化学蚀刻法制作了1cm长的包层光滤除器以最大限度地减少高功率工作期间的局部热漂移和损伤,如图2(b)所示。作者首先用6.25m长的NANF在低功率下做了初步实验来调试和优化整个功率传输系统,然后逐步增加功率,最后替换为104.5米光纤完成实验。在整个实验过程中,CLS的温度始终保持在82℃以下,传输6.25米处温度低于42℃,104.5米处低于49℃。

图3 线宽分别为(a) 38GHz、(b) 63GHz、(c) 86GHz,空芯光纤长度分别为6.25米(黑)和104.5米(红)时,输出功率随输入功率变化的曲线。(d) 线宽为86GHz时,6.25米长NANF输出端的近场光强分布。(e) 线宽分别为38GHz、63GHz、86GHz时,104.5米长NANF输出端的近场光强分布。

      图3(a)至图3(c)以黑色和红色表示在6.25和104.5米长度处三种不同线宽下的大功率输出结果。线宽为86GHz和63GHz时光源的最大功率为2.315kW,在38GHz时受SBS限制最大功率降为1.828kW(防止后向散射光损坏光源)。(1) 经过6.25米长的NANF传输后,在86GHz、63GHz和38GHz时,最大输出功率分别为2.205kW、2.172kW和1.708kW。与之对应的传输效率分别为:95.2%、93.8%和93.4%。(2) 104.5米长的NANF在86GHz、63GHz和38GHz时的输出功率分别为2.198kW、2.183kW和1.706kW。与之对应的传输效率分别为:95.1%、94.5%和95.3%。

      图3(d)展示了线宽86GHz功率分别为0.6kW、1kW和2.2kW的光经过6.25米的NANF传输后的近场光强分布。同样,104.5米光纤在最大传输功率下的输出光强分布如图3(e)所示。结果表明,该系统的输出光束质量接近衍射极限(详见表1)。

表1 光束质量和传输效率的测量结果汇总

      激光传输的光谱特性试验结果如图4所示。图4(a)至(c)以蓝色线条显示了光源在三种线宽下的光谱,用绿色和黑色线条分别显示了104.5米光纤分别在最大输出功率和1.5kW输出功率时的输出光谱。从实验结果来看,输出功率不超过1.5kW时,NANF的传输对激光的光谱特性影响不大,无论是中心峰值波长还是光谱曲线的形状都得到了较好的保留。但在最大输出功率下,除1080nm的中心峰值外,在1090nm和1100nm附近出现了一系列的离散峰。根据图4(b)和(c)中的一阶和二阶斯托克斯频移来分析,这些离散峰可能是由NANF纤芯中的空气里的氮气的拉曼响应造成的。这一现象在2022年Nature Photonics发表的一篇文章中也有报道(详见该文参考文献34)。结合理论分析、实验结果和数值计算,NANF中的拉曼增益系数gR≈2.7×10-14m/w。从理论上来看,若想在输出功率高于2kW的同时保持光源的光谱特性(不存在离散峰),NANF长度应小于63.6米。在百米左右的传输距离上,若要避免离散峰的产生,当前NANF可传输的功率约为8.5kW。

图4 NANF输出的光谱特性。三幅子图的光源线宽分别为(a) 38GHz、(b) 63GHz、(c) 86GHz。图中蓝色线条为功率2.3kW的光源光谱,绿色是NANF输出功率最大时的光谱。插图显示了不同功率下△λ∈[-1,1]nm时,光强与△λ之间的关系。

观点评述

      该文针对窄线宽高功率激光的远距离光纤传输展开研究。作者设计的NANF在百米距离上实现了2.2kW的高功率高光束质量的激光传输。该文对长距离高功率光传输过程中光谱离散峰的产生机理进行了系统的研究。针对这一问题,作者一方面提出在光纤供能研究领域中,可以通过对纤芯抽真空或填充氩气等非拉曼活性气体来消除离散峰;另一方面,在光纤光源研究领域可以利用这一效应在NANF中填充特定的气体,结合对应的窄线宽泵浦源,产生原本难以获得的波长的激光。

      该文研究结果进一步增强了新一代基于光纤的激光束传输系统在精密加工、非线性科学、定向能和光纤上的能量传输方面的应用潜力。

本文出处

发表于:Optica

论文链接:

https://opg.optica.org/optica/fulltext.cfm?uri=optica-10-10-1253&id=539959

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