狙击光纤激光器稳定性“杀手”
狙击光纤激光器稳定性“杀手”
扫码看直播回放光纤激光器英文名称为Fiber Laser，指用掺稀土元素玻璃光纤作为增益介质的激光器，其中掺镱光纤是高功率掺镱光纤激光系统最核心的器件之一，然而随着光纤激光器输出功率的提升，各种稳定性“杀手”比如横向模式不稳定（Transverse Mode Instability, TMI）、受激拉曼散射（Stimulated Raman Scattering, SRS）现象以及热损伤等浮出水面。
不久前，凯普林光纤激光器产品总监赵巨云线上分享《高功率光纤激光器前沿技术与创新应用》，详细描述了如何狙击光纤激光器稳定性“杀手”。本期，我们一起回顾。
光纤激光器主要由泵浦源、增益介质（有源光纤）、谐振腔三大部分构成。
谐振腔结构光纤激光器原理：通过前向和后向的合束器，将泵浦半导体激光器LD的功率经过光纤光栅（高发光栅HR、低反光栅OC）注入到掺镱双包层光纤（YDF）中。YDF中稀土离子吸收泵光后，形成粒子数反转分布，产生自发辐射光，然后在光纤光栅对（HR-OC）的作用下形成受激辐射光放大产生激光，并经过OC和输出光缆QBH输出出来。
放大器结构光纤激光器原理：与谐振腔相似，所不同的是通过前级的种子源激光器来减少了系统对单元器件承受功率的要求。进而可以得到更高的功率。
谐振腔结构光纤激光器
放大器结构光纤激光器
横模不稳定效应原理示意图
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光纤掺杂特性影响（掺杂浓度和掺杂区域半径） -
暗化的影响信号特性的影响（信号光功率、信号强度噪音、信号初始高阶模比例、信号光波长、信号强度调制） -
泵浦特性影响（泵浦功率、泵浦波长、泵浦强度调制） -
泵浦方式的影响（前向泵浦、后向泵浦、侧向泵浦和双向泵浦） -
光纤材料的影响
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光纤芯径/包层直径、光纤纤芯数值孔径
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高阶模损耗
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系统制冷能力
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光纤保偏特性
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信号光线宽
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增强增益饱和（减小纤芯包层比、改变半导体泵浦源的波长、改变泵浦光注入方向、增加注入信号功率 、同带泵浦、改变信号波长）
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减少光纤热源
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增强光纤热光性能
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提高弯曲损耗（减少弯曲半径、减小纤芯数值孔径、优化光纤盘绕方法、减少纤芯直径、增加信号光波长）
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优化光纤设计
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增加信号光谱宽
从整机来说，光纤激光器内部由光、机、电三部分组构成。光的构成部分就是我在报告上提到三大块：泵浦源、谐振腔、增益介质，泵浦源就是半导体激光器，谐振腔就是通过光栅合束器构成的，增益介质就是有源光纤。
激光器内部谐振腔熔点温度高的原因其实很多，这是一个很复杂的工艺问题。可能是由光纤的匹配、熔接质量、泵浦吸收转化这些因素造成的。对于这种光纤匹配来说呢，一般我们会选择相同类型的光纤激光器，尽量芯径相同，最起码包层直径更接近一些，这样会减少熔接匹配损耗。还有熔接质量，就是我们熔接机的各种熔接参数设置可以有很多优化区域，通过大小调整等方法优化参数。还有一个是泵浦转化率，我们在选择泵浦源、有源光纤的时候要做更多优化。另外，整个散热设计更优的话，可以达到更好的效果。
切割是一个工艺过程，相对比较复杂，光纤激光器本身的输出特性也很多，就像功率、光谱等这些因素每台激光器是不一样的，而这些因素都会对切割产生一定的影响。同时，切割的时候还涉及到切割头、喷嘴、板材等等，这个综合性的变量很多，所以很难说两台激光器切割效果一模一样。但现在我们都在努力提升激光器的整体容差，切割工艺的容差提高了，面对各种变量也可以达到相对一致的切割效果，完全一致目前还是很难办到的。
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