2020年全球激光器市场销售额160.1亿美元,2021年预计约184亿美元,15%增长;2020年我国光纤激光器市场销售额94.2亿元,2021年预计108.6亿元。在我国从事超快研发生产的企业超过40家,2021年预计以ps/fs为主要产品的市场规模为32.6亿元。
图1. 2015年~2021E年中国超快激光市场(单位:亿元 《2021中国激光产业发展报告》)
1985年的啁啾脉冲放大技术,1988年的双包层光纤技术,1997年的大模场光纤概念的提出,以及分脉冲放大、预啁啾管理放大、相干脉冲堆积等技术,都对超快光纤激光的发展有着重要的影响。随着超快光纤激光技术的发展,超快光纤激光器已经成为超快激光市场的主力军,在科研、生产、医疗等诸多领域发挥着作用,尤其在精密/微纳加工、高脉冲能量源、微观动力研究、天文科学等方面更有着不可替代的优势。
图2. 高功率超快激光发展[1]
图3. 半导体可饱和吸收体SESAM线性腔种子源结构
工业上使用的器件主要是光纤色散管理器件,比如光纤的脉冲展宽器和脉冲压缩光栅,为了抑制非线性效应并有效地进行功率放大,在时域上对脉冲进行处理,最终实现满足要求的高峰值高能量输出。
展宽之后的脉冲进入超快光纤放大器,其增益主体是掺杂的双包层光纤,但是随着应用对高峰值高能量以及单模、保偏等方面的需求,传统的20/125DC,30/250DC双包层光纤在百uJ量级会出现模式跳变,阻碍功率进一步提高。因此具有更多波导结构不同特点的增益光纤,如大模场光子晶体光纤PCF,锥形光纤Tapered fiber,手性纤芯耦合光纤3C等,也逐步被应用到工业产品当中。
光子晶体光纤具有大模场,支持单模传输和保偏的特点。PCF又被称作微结构光纤,横截面上有较复杂的折射率分布,通常含有不同排列形式的气孔,这些气孔的尺度与光波波长大致在同一量级且贯穿器件的整个长度,光波可以被限制在低折射率的光纤芯区传播。目前PCF和普通石英光纤的熔接已经比较成熟(图4),利用标准商用的特种熔接机,可以实现良好的模场匹配及低损耗传输,这也满足了全光纤结构的工业产品需求。目前的商业40um芯径PCF已经以OEM的形式模块化,更便于集成和产品化(图5)。
图4. 单模双包层光子晶体光纤,PCF与石英光纤的低损耗熔接
图5. 商用光子晶体光纤模块
随着光子晶体光纤技术的发展,出现了商用化的更大模场的棒状PCF(Rod type PCF),最早由Limpert在2005年首次提出[2],之后被应用到各个实验中获得了非常好的效果[3]。
2010年出现了大孔间距PCF(即large pitch fiber, LPF),其孔间距远大于波长的十倍,可以实现更高功率[4]。
图6. Limpert实验中的PCF棒状光纤
图7. 135um芯径的LPF和普通7um芯径PCF对比[4]
图8. 商用光子晶体光纤棒
2021年中科院物理所利用大模场光子晶体光纤棒(rod-type PCF),以预啁啾管理放大和双通放大技术,实现了55fs,100W的超快激光输出【6】。
图9. 双通预啁啾放大实验及光谱/脉冲图
棒状PCF不仅成为工业超快光纤激光放大的重要选择之一,在科研项目中,也为多光路的光束合成,实现更高功率提供了很好的条件。
2016年,Tunnerman组利用8路空间相干合成和4个时间分脉冲放大的方案,将8束激光空间相干合成为一束光,再通过时间延迟,将之前分离的脉冲合并为一个脉冲。实验中预放大级用的芯径为72um的LFP光子晶体光纤棒,8路主放大级分别使用了8根1.1m长芯径为81um的LFP棒。最终实现了平均功率700W,脉冲能量12mJ,脉宽262fs的超短脉冲输出,合成效率78%[7]。
图10. 多路空间相干合成与分脉冲放大装置
图11. 商用锥形光纤及其OEM模块
2018年SPIE报道了利用锥形光纤将35ps,200kHz种子源放大到50uJ,经脉冲压缩至1ps后得到16MW峰值功率,M2<1.2[9]。
2020年报道的550W全光纤单频放大器,就是用输入芯径和包层分别为36.1um和249.3um,输出芯径57.8um和397.3um,增益光纤长度1.3m,锥区长度0.74m的锥形光纤获得。最终光光转换效率80%,线宽45MHz[8]。
图12. 550W全光纤单频放大器功率及线宽
2021年芬兰Tampere大学Valery Filippov教授课题组报道了旋转型锥形光纤(ST-DCF),讨论了其与保偏/非保偏锥形光纤的偏振特性,以及不同旋转螺距ST-DCF的输出光特性,也为未来更复杂波导结构锥形光纤的应用提供了重要的参考数据【10-11】。
图13. 三种不同锥形光纤以及不同螺距的旋转锥形光纤测试
2007年美国Michigan大学超快光学研究中心提出了手性耦合纤芯光纤(3C Chirally-coupled-core),以其能够实现高能量、高峰值功率、单模、保偏的特性逐渐受到人们关注。光纤的石英包层内有两条纤芯,一条是沿轴向分布的中央纤芯,芯径较大,一般在30um以上,用于信号光的传输;另一条是偏离中心轴、围绕中央纤芯螺旋分布的侧芯,芯径比中央纤芯小得多,只有十几微米,主要作用是控制中央纤芯的模式,将高阶模耦合进侧芯并对其产生高损耗(大于100dB/m),使得中央纤芯中的基模可以极低损耗地传输(小于0.1dB/m)。
图14. 3C手性耦合纤芯光纤
Michigan大学超快光学研究中心多年在3C光纤的研究中获得了很多可观的数据。
2009年,以双包层掺镱3C光纤搭建放大系统来探究其放大特性[12]。该实验得到了250W的连续功率输出和150W输出脉冲10ns,脉冲能量达到0.6mJ,峰值功率60kW,放大斜率效率达到74%。同样,在所有功率水平下,系统输出光斑均为单模。
2010年,该团队将3C光纤应用于主振荡功率放大(MOPA)结构中来提升系统输出功率[13]。实验以2.7m长空气包层掺镱 3C光纤为功率放大器的增益介质,用2.2W信号光激励该光纤,实现了511W 的MOPA结构功率输出,放大器斜率效率为70%,同时观测到输出光束为单频单横模的线偏振光,具有大于15dB 的消光比。
2012年,该研究中心Thomas Sosnowski等人[14]通过33/250um 3C光纤实现了257W,200kHz,8.5ns,1.2mJ脉冲;86.5uJ,575kW峰值功率脉冲,以及利用55um 3C光纤实现了41W,8.3mJ,640kW的高能量脉冲输出。
图15. 33/250um 3C光纤输出257W,200kHz,8.5ns,1.2mJ脉冲
图16. 33/250um 3C光纤输出86.5uJ,575kW峰值功率脉冲
图17. 55um 3C光纤实现了41W,8.3mJ,640kW的高能量脉冲输出
2018年Carnegie Mellon大学的Jinxu Bai等人[15]用15mW,25ns,150nJ,100kHz,1064nm种子源通过两级2.5m和3m的3C光纤放大,获得了121.2W,单脉冲能量12mJ,峰值功率50kW,M2<1.2脉冲输出。
图18. 级联3C光纤输出高功率、高能量脉冲
3C光纤用于超短脉冲放大的同时,也可用于窄线宽连续光的功率放大,利用其稳定单模输出以及对非线性效应不敏感的特点,实现单色性更好、光束质量更好,高功率更高的连续光输出,用于如引力波探测、多光束合成等方面的研究。
2018年,密歇根大学联合nLight公司,由M. Kanskar和A. Galvanauskas等人分别运用Yb20/400/0.064 DC LMA光纤和Yb 21.9/400/0.059 DC3C光纤对单频线偏振种子源进行功率放大,泵浦源为锁波长976nm模块,分别实现了2.4kW和2.6kW[16]。种子源为1064nmDFB通过相位调制器进行伪随机信号调制适当展宽线宽。MFA实现全光线结构。当种子源20GHz时,实验中Yb20/400LMA光纤在2.2kW时出现了TMI,而3C光纤弯曲直径30cm,在抑制高阶模的同时在2.6kW时没有TMI产生。
图19. 3C光纤放大DFB窄线宽种子源结构图
图20. Yb20/400 LMA光纤放大在2.2kW出现TMI
Yb21.9/400 3C光纤放大在2.6kW输出且未出现TMI
2019年,Sven Hochheim等人用nLight的3C光纤(Yb700-34/250DC-3C),制作了用于引力波探测的,100W单频单模保偏光纤放大器。其中种子源为2W的kHz线宽保偏连续光,通过模场匹配器MFA的实验,最终实现103W,光光转换效率71%,偏振消光比17.6dB[17]。
图21. Yb34/250 3C光纤放大实现单频100W结构图
连续高功率光纤激光器已经发展了十几年,技术和产业化均已成熟,超快光纤激光器正在经历连续激光的发展过程,只不过速度更快,周期更短,在市场上已经出现第一批专业的生产商,工艺也日趋成熟化,加之超快光纤技术的发展,不断有新的材料和器件被推出,无论是大模场光子晶体光纤PCF,锥形光纤Tapered fiber,还是手性纤芯耦合光纤3C,不同波导结构的光纤都各有特点,对于工业或是科研领域,都直接有力地支撑了国内超快光纤市场的崛起。相信随着光纤技术的不断发展,我国的超快光纤激光也会一骑绝尘,走在世界前列。
1.高功率超快光纤激光技术发展研究,中国激光,48,11,2021.
2.Limpert J, Deguil-Robin N, Manek Hönninger I, et al. High power rod type photonic crystal fiber laser. Optics Express, 2005, 13 (4).
3.Otto H J, Stutzki F, Modsching N, et al. 2kW average power from a pulsed Yb-doped rod type fiber amplifier. Optics Letters, 2014, 39 (22).
4.Florian Jansen,et al. The influence of index-depressions in core pumped Yb-doped large pitch fibers. Optics Express, 2010, 18 (26).
5.Hans-Jürgen Otto,et al. 2 kW average power from a pulsed Yb-doped rod-type fiber amplifier.
6.Yao Zhang, et al. Double-pass pre-chirp managed amplification with high gain and high average power. Optics Letters, 2021, 46 (13).
7.Macro Kienel, et al. 12 mJ kW-class ultrafast fiber laser system using multidimensional coherent pulse addition. Optics Express, 2016, 41(14).
8.全光纤单频光纤放大器实现550W近衍射极限输出. 中国激光,2020,47(4).
9.Roy V , Desbiens L , Boivin M , et al. Nonlinear compression for generation of high energy ultrashort pulses using an Yb-doped large mode area tapered fiber[C]// Fiber Lasers XV: Technology and Systems. 2018.
10.Andrei Fedotov, Vasilii Ustimchik, Joona Rissanen, Teppo Noronen, Regina Gumenyuk, Alexander Kolosovskii, Victor Voloshin, Igor Vorob’ev, Yuri Chamorovskii, and Valery Filippov, “Large mode area double-clad ytterbium-doped spun tapered fiber,” J. Opt. Soc. Am. B 38, F161-F169 (2021).
11.Andrei Fedotov, Vasilii Ustimchik, Joona Rissanen, Alexander Kolosovskii, Victor Voloshin, Igor Vorob’ev, Regina Gumenyuk, Yuri Chamorovskiy, and Valery Filippov, “Active tapered double-clad fiber with low birefringence,” Opt. Express 29, 16506-16519 (2021).
12.Huang S, Zhu C, Liu C H, et al.. Power scaling of CCC fiber based lasers[C]. CLEO 2009, 2009. CThGG1.
13.Zhu C, Hu I, Ma X, et al.. Single- frequency and single- transverse mode Yb- doped CCC fiber MOPA with robust.
14.Thomas Sosnowski, Andrey Kuznetsov, 3C Yb-doped Fiber Based High Energy and Power Pulsed Fiber Lasers. 2012.
15.A Unified Approach to Achieving High Power and High Energy in Chirally Coupled-Core Ytterbium-Doped Fiber Amplifier Systems. IEEE Photonics Journal,Vol. 10, No. 1,1501208.
16.M. Kanskar, etc. Narrowband Transverse-modal-instability (TMI)-free Yb-doped Fiber Amplifiers for Directed Energy ApplicationProc. of SPIE Vol. 10512.
17.Sven Hochheim,Michael Steinke,etc. Single-frequency chirally-coupled-core all-fiber amplifier with 100 W in a linearly-polarized TEM-mode. Vol. 45, No. 4 / 15 February 2020 / Optics Letters.
2022-04-08
2023-03-06
2023-03-14
2022-04-08
2022-05-12