作者： 时间：2023-04-04
基于标准有源单模光纤的光纤激光器或放大器可以产生清晰图像和高光束质量的激光输出光束，但是受到泵浦源和激光转换效率的百分比的限制，导致激光器很难输出高功率的光束。而有源多模光纤激光器虽然能够输出高功率的光束，但是其输出光束是模糊图像和低光束质量的，毕竟，对于激光应用来说，清晰图像和高光束质量的输出光束是非常重要的。Dataray生产的光斑分析仪WinCamD-LCM是分析测量有源单模光纤的光纤激光器或放大器的重要工具。
在随着时代的发展，双包层光纤的横空出世，使设计输出功率超过1kW的高功率光纤激光器成为了可能。双包层光纤之所以能够解决高质量输出光束和高功率转换的问题， 这是因为在双包层光纤中，泵浦辐射不会立即进入光纤纤芯，需要先进入包层，当泵送的能量会从包层转移到光纤纤芯后，光纤纤芯会吸收泵浦辐射光子并产生所需波长的相干辐射，这是因为光纤纤芯的材质中掺杂了稀土元素离子。
双包层光纤的内包层的截面不仅可以是圆形还可以是其它形状，如图1所示。最简单的光纤设计是一个圆形包层和一个位于中心的光纤纤芯，该设计在工艺过程中容易实现，并且可以与多个无源器件连接，然而，这种类型的光纤存在内部包层的传播模式，并且几乎不和光纤纤芯重叠。正是因为这种原因，造成泵浦辐射的没有被完全吸收[a1] ，并且增益和传输的[a2] 能源效率降低。可以通过更改包层形状和光纤纤芯位置来进行改善较差的光纤纤芯重叠模式。例如，具有偏离中心或非圆形内包层的设计(参见图1：例如，椭圆内包层，d型或矩形)。然而，当它们拼接在一起时，如果整个光纤(不仅仅是包层)是非圆形的就会出现问题。除了光纤纤芯的物理特性外，一个重要的参数是内包层和光纤纤芯的横截面积之比。这个面积比不应该太高，否则，泵浦光的有效吸收长度会增加以及光纤纤芯内的泵浦强度会减小，从而导致激发水平低和能效降低。通常，内包层和光纤纤芯的横截面积之比保持在100到1000的范围内，但是泵浦源的提升允许使用面积比更小的纤维，因此，泵浦光的有效吸收长度会变短，从而减少各种类型非线性的影响。
图1 双包层光纤截面结构
双包层高功率光纤激光器设计完成后，可以使用光束轮廓分析仪对高功率光纤激光器的光束传播截面进行分析。对于可见光和近红外光谱区域，CMOS或CCD探测器类型的光束轮廓分析仪适合测量复杂的光束形状。不同波段范围的激光器需要用不同材质的探测器进行测量，硅探测器可用于测量350 nm-1100 nm的可见光以及近红外，而InGaAs探测器可以用于测量800-1800 nm的红外波长。
为了研究双包层高功率光纤激光器的可行性，某科研团队在实验室进行了辐射沿光纤传播的研究。实验室模型包括一个能够出射976 nm聚焦光的泵浦激光二极管，一个用于研究的Nufern MM105/125传输光纤，一个日本Fujikura的FH-60-DC250光纤支架，一组立陶宛Standa的3PH底座和0R6导轨滑块，一台光斑分析仪WinCamD-LCM以及一组ND1-ND5的中性衰减片。
图 2 光束剖面模型图
研究的对象是掺铒和镱离子的双包层光纤，型号为MM-EYDF-10/125-XP和MM-EYDF-10/125-XPH。通过光斑分析仪WinCamD-LCM对高功率光纤激光器的光束进行分析，通过美国Dataray提供的配套软件可以直观的看出泵浦辐射的吸收效率。第一次测量选择的是MM-EYDF-10/125-XPH光纤，光纤长度为10 cm，波长为976 nm，功率为500 mW，光束剖面如图4所示。从图4可以看出，沿第二包层边界传播的辐射呈八面体形状，此外，还存在一个沿其传播的包层模式环。在第一和第二包层的边界之间，有一个明显的功率下降。沿第一包层传播的辐射，包层没有明显的峰值，但是仍然存在峰值，如图5所示。MM-EYDF-10/125-XPH光纤的第一包层和第二包层上的辐射强度形状均为平顶。这表明在所研究的光纤中实现了模式混合功能，这有助于将能量从无源导光包层转移到光纤的有源光纤纤芯。测得的光纤转换率为48.6%，如图3所示，存在包层模式，并且第一和第二包层之间的倾角表明辐射能量的不完全泵浦是一个负面效应。例如，在激光的进一步组装期间，这种包层模式需要使用模式剥离器过滤掉。
图 3 Dataray软件界面
第二次测量选用的是MM-EYDF-10/125-XP光纤，长度为15 cm，波长为976 nm以及功率为500 mW。光束剖面如图6所示。这种光纤激光器光束呈现的光束轮廓具有高斯形状，在这个剖面中，可以看出包层之间没有明显的界限并且来自光纤纤芯的能量分布很明显。对于光纤本身来说，高斯分布的光束轮廓并且具有高功率密度，这可能导致光纤材料中的非线性效应。测得的光纤转换率为64.8%，在该光纤的剖面中虽然没有明显的模式混合，但是它表现出良好的转换效率。
图 4 MM-EYDF-10/125-XPH光束轮廓图
图 5 MM-EYDF-10/125-XPH X轴截面
图 6 MM-EYDF-10/125-XP光束轮廓图
通过使用光斑分析仪WinCamD-LCM以及附带的Dataray软件可以快速有效的对光束轮廓以及转换程度做出结果展示。如果您对美国Dataray生产的光束轮廓分析仪感兴趣，可以联系海纳光学对应产品的负责人进行了解和咨询。深圳海纳光学有限公司专业代理国际知名品牌的激光器，光电测量，光学元件，光学材料和光机电产品，主要服务于物理与光电，化学，材料，生命科学等相关领域。我们拥有强力的技术团队，可以为客户提供系统集成，定制设计和技术服务。
