為什么2µm光纖激光器是一種新趨勢? 考慮到現(xiàn)有的1µm高功率摻鐿(Yb)光纖激光器雖高效,但對人眼可能造成不可逆的傷害;1.5µm光纖激光器相對安全卻低效;2µm摻銩(Tm)和鈥(Ho)的光纖激光器可以做到既安全、又高效,并在以下應(yīng)用中具有顯著優(yōu)勢,成為如今新的趨勢。 •大氣氣體監(jiān)測:量程增加,精度更高 •塑料焊接:熱處理透明塑料時(shí)無需添加粘合劑 •醫(yī)用上:2µm摻銩光纖激光器在泌尿外科手術(shù)中可以提供精確的切割 2μm激光器在國防上的應(yīng)用 特別值得一提的是,2µm光纖激光器在國防應(yīng)用中具有極其重要的意義。 2μm激發(fā)范圍的高能激光發(fā)射可用于定向紅外對抗(DIRCM)領(lǐng)域,包括以高效率和高功率激光束瞄準(zhǔn)地對空導(dǎo)彈光電系統(tǒng)。安裝在飛機(jī)上的光纖激光系統(tǒng),可以通過紅外激光破壞導(dǎo)彈導(dǎo)引頭,將導(dǎo)彈制導(dǎo)系統(tǒng)與紅外激光脈沖相互混淆,可有效阻止對目標(biāo)飛機(jī)的跟蹤。 ISL(法國-德國圣路易研究所,是由法德兩國共同運(yùn)營的機(jī)構(gòu),服務(wù)于國防和安全領(lǐng)域)和exail(原iXblue)一直致力于開發(fā)2μm光纖激光器,因?yàn)楹笳咴谠擃I(lǐng)域具有豐富的經(jīng)驗(yàn)和產(chǎn)品解決方案。ISL的研究重點(diǎn)是“控制激光發(fā)射能量并提高其精度”,其中包括開發(fā)基于二氧化硅摻雜光纖(銩、鈥)等新型激光材料,在2μm–5μm的波長范圍內(nèi)產(chǎn)生激光。 因?yàn)椴ㄩL為1940nm的紅外光極易被水分子吸收,所以自由空間中應(yīng)用的激光器波長一定要超過2000nm。ISL在2021年使用exail光纖獲得了非常矚目的成果:單諧振腔中使用銩鈥共摻光纖,在連續(xù)模式下2090nm處實(shí)現(xiàn)M2=1.08, 195W的輸出(參考A. Motard and al. Optics Express 2021年),其最大輸出功率由泵浦功率限制。在與DGA(法國軍備總局)的研究計(jì)劃中,上述研究成果為使用基于銩鈥共摻光纖的激光結(jié)構(gòu)在2μm波段開發(fā)定向能光纖激光器(DEL)打開了新思路。
2023年,exail和ISL發(fā)表了新的研究成果,這次使用的是單振蕩器摻銩光纖激光器,實(shí)現(xiàn)了2.09μm的高效發(fā)射,達(dá)到193W(參考C. Louot and al. IEEE Photonics)。“這是第一次僅基于摻銩光纖的激光架構(gòu),顯示出如此高效的激光發(fā)射,為基于銩離子的光纖激光器發(fā)展開辟了道路”,Anne Dhollande補(bǔ)充道。下圖為摻銩光纖激光器高效發(fā)射譜:
高功率2μm光纖光柵 光纖結(jié)構(gòu)中任何微小的瑕疵(尤其是在光纖連接處)都會迅速被激光加熱,并造成光纖損傷,因此必須嚴(yán)格控制FBG制造過程的每個(gè)步驟,以避免出現(xiàn)瑕疵。近年來,光纖光柵得到了相當(dāng)大的改進(jìn),以適應(yīng)2μm范圍內(nèi)的高功率激光應(yīng)用(見圖)。 隨著功率的升高,熱效應(yīng)越發(fā)明顯。如何保證2μm的FBG穩(wěn)定工作呢?如下圖,一個(gè)未封裝的FBG,在高功率(195W)時(shí)表現(xiàn)出很大的波長飄逸和光譜展寬。
因此,F(xiàn)BG的刻寫工藝優(yōu)化勢在必行,并且需要采取適當(dāng)?shù)纳岽胧琫xail利用在光纖的出色匹配(有源/無源)和散熱封裝等方面的經(jīng)驗(yàn),為大功率應(yīng)用開發(fā)了一種特定的“HP-High Power”工藝,生產(chǎn)出的FBG在耐熱性上比其他同類產(chǎn)品提高了近十倍。如下圖紅線所示:在HP工藝加持下,F(xiàn)BG在高功率條件下,僅僅出現(xiàn)極小波長飄逸和光譜展寬。
exail摻銩光纖的最新結(jié)果和應(yīng)用案例 1. exail還為ISL開發(fā)了保偏雙包層IXF-2CF-Tm-O-20-250光纖,實(shí)現(xiàn)了213W@1.94µm的高效率和高功率輸出。
2. 單包層低摻雜摻銩光纖IXF-TDF-5-125-LD,用于<1700nm波段應(yīng)用。 3. 雙包層摻銩25-400光纖,低彎曲半徑IXF-2CF-Tm-O-25-400-SB,下圖為繞盤直徑分別為120mm和250mm的輸出功率。
4. IXF-2CF-Tm-O-10-130-RAD光纖在1940nm激光腔中的輻射試驗(yàn)。通過對未完全優(yōu)化的摻銩光纖進(jìn)行的初步測試表明,exail摻銩光纖具有可接受的輻照衰減,良好的光漂白性能,通過添加共摻雜劑可進(jìn)一步提升抗輻照性能,適用于宇航應(yīng)用。
exail摻鈥光纖的最新結(jié)果和應(yīng)用案例 exail的單包層摻鈥光纖可以通過摻銩光纖激光器進(jìn)行直接芯層泵浦。8µm芯徑的光纖效率可高達(dá)75%。20µm芯徑的光纖可應(yīng)用于最后一級高功率低增益放大器。 1. IXF-HDF-8-125:有保偏和非保偏可選,可通過摻銩激光器泵浦1860nm或者1950nm, 如下圖,2米光纖,75%的效率@2100nm (相比市場同類產(chǎn)品57%的效率,2W輸出)。
2. IXF-HDF-PM-20-250-0.08:低數(shù)值孔徑、單模、低增益、高輸出最后一級放大器。如下圖,摻鈥光纖由基于摻銩光纖的主振蕩器泵浦:一個(gè)全光纖脈沖激光系統(tǒng)(法國Thales),100KHz重頻,30W平均功率@2090nm。
3. IXF-3CF-Ho-O-20-250-300-0.08: 三包層設(shè)計(jì),20µm摻鈥纖芯,由低折射率材料包圍,以保證低數(shù)值孔徑(0.08NA);250µm八角形二氧化硅包層,最大限度地提高泵浦吸收;在包層和涂覆層之間添加氟摻雜二氧化硅層,有助于減少涂覆層加熱,避免涂覆層對1.9µm泵的吸收。 如下圖,由exail與法國航空航天實(shí)驗(yàn)室合作開發(fā)的一種新型光纖激光器架構(gòu),實(shí)現(xiàn)了~50%的效率,~100W@2120nm激光輸出,輸出功率由泵浦功率所限。三包層光纖結(jié)構(gòu),避免了泄漏激光直接接觸涂覆層,降低了光纖失效風(fēng)險(xiǎn),使激光輸出總功率得以提高。
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