如果說激光技術領域有一個明顯的趨勢，那就是光纖激光器的興起。在高功率切割和焊接應用方面，光纖激光器已經從高功率 CO2 激光器和固體激光器手中搶占了大量市場份額。目前，一些主流的光纖激光器制造商正在探索許多新的應用，以滿足更多市場需求。
抑制單模光纖激光提升的效應
在高功率光纖激光器中，單模系統具有令人滿意的特性 ：它們具有高的亮度，可以聚焦至幾微米到最高的強度。它們還具有最大的焦深，這使它們最適合遠程加工。然而它們難以制造，只有市場領先的美國IPG Photonics 公司才能提供具有單模10kW 功率的系統。不幸的是，沒有關于其光束特性的細節，特別是可能與單模光束一起存在的任何可能的多模成分。
由德國政府資助、來自德國Friedrich Schiller University 和弗勞恩霍夫應用光學與精密工程研究所（Fraunhofer IOF）的科學家團隊與德國通快公司、Active Fiber Systems 公司、 業 納 公 司 和 Leibniz Institute ofPhotonic Technology 合作，分析了提升這種激光器功率的挑戰，然后開發了新的光纖來克服這些限制。該團隊成功地完成了一系列測試，展示了4．3kW 的單模輸出，其中光纖激光器輸出僅受到輸入泵浦功率的限制。
圖1：德國的一個研究團隊已經展示了光纖激光器的4．3kW單模輸出，其輸出僅受到輸入泵浦功率的限制。
抑制單模光纖激光提升的效應
這種單模大功率光纖激光器面臨的挑戰是什么？這些挑戰主要可分為三個領域 ：a）改進泵浦，b）設計具有低光學損耗且僅在單模運行下工作的有源光纖，以及 c）正確測量所得到的輻射。在本文中，我們假設挑戰 a）可以通過高亮度激光二極管和適當的耦合技術得以解決，因此我們將主要精力聚焦在其他兩個挑戰領域。
在用于高功率單模運行的有源光纖設計中，有兩組通用參數要優化 ：摻雜和幾何形狀。必須確定所有參數以實現最小損耗、單模運行以及最后的高功率放大。完美的光纖放大器將提供超過90％的高轉換率、完美的光束質量，以及僅由可用的泵浦功率限制的輸出功率。
然而，將單模系統提升到較高功率可能導致激活纖芯內更高的功率密度，增加的熱負載以及許多非線性光學效應，例如受激拉曼散射（SRS）和受激布里淵散射（SBS）。
最引人注目的是摻鐿石英光纖典型的一種效應，并且在光纖激光器早期當光纖材料不像今天這樣純凈時是眾所周知的，這就是光致暗化。在該過程中，由于激光材料相互作用，在材料中形成缺陷中心或色心。這種效應是寄生的：它將泵浦光子轉換成熱，這導致較低的放大和增加的熱負荷。
根據激活纖芯的尺寸，可以激發和放大幾種橫模。對于纖芯和包層之間給定的折射率階躍，激活纖芯的截面越小，這些模式的數量就越小。然而，更小的直徑也意味著更高的功率密度。一些技巧包括彎曲光纖增加高階模式的損耗。
然而，對于較大的芯徑，以及在熱負載下，可能會出現其他模式。那些模式在放大期間經受相互作用，沒有最佳傳播條件，輸出分布可能會在空間或時間上不穩定。
橫模不穩定性
摻鐿（Yb）光纖是高功率單模光纖激光器的典型主力介質。但超過一定的閾值，它們將顯示出全新的效應，即所謂的橫向模式不穩定性（TMI）。在特定功率水平下，突然出現高階模式或甚至包層模式，能量在這些模式之間動態傳遞，并且光束質量降低。光束在輸出端開始波動。
自從發現 TMI 以來，已經在從階躍折射率光纖到光子晶體光纖的各種光纖設計中觀察到 TMI。只有其閾值隨幾何形狀和摻雜而變化，但粗略估計，這種效應在輸出功率超過 1kW后才顯現。與此同時，該效應與光纖內部的熱效應相結合，與光致暗化效應有很強的相關性。此外，光纖激光器對 TMI 的敏感性似乎受到纖芯模態組成的影響。
階躍折射率光纖的幾何形狀產生了許多用于優化的參數。纖芯直徑、泵浦包層的尺寸，以及纖芯和泵浦包層之間的折射率差異，都可以調整。這種調諧取決于摻雜濃度，也就是說，Yb 離子的濃度可用于控制激活光纖中泵浦輻射的吸收長度。 可以添加其他摻雜劑以減少熱效應，并控制折射率階躍。
但有一些相反的要求。為了減少非線性效應，光纖應該更短。然而，為了減少熱負荷，光纖應該更長。光致暗化隨著摻雜濃度的平方增加，因此具有較低摻雜的較長光纖將更好。
有關這些參數的最初建議，可以在模擬中發現。一些參數，例如熱行為，可以模擬但難以預測，尤其是因為光致暗化很低，并且不能通過加速測試來測量。因此，直接測量光纖中的熱行為，將有助于實驗的規劃。
對于典型的有源光纖，圖 2 給出了從光纖放大器內部同時分布式溫度測量提取的測量熱負荷與模擬熱負荷的比較。為了準確地預測縱向溫度曲線，假定僅有 2dB／km 的額外損耗，這顯示了非常低的損耗。
光纖設計的另一項重要參數是截止波長，這是允許在激活纖芯內有更多模式的最長波長。不支持大于該波長的高階模式。
除了光纖本身的性質之外，還有幾種方式來影響放大過程和損耗機制，例如光纖彎曲或種子光束的時間特性和光譜特性。
面向千瓦級功率的新光纖的測試
在深入模擬之后，在最近的實驗中生產和檢查了兩種類型的摻 Yb 光纖。光 纖 1 的纖芯直徑為 30μm，并且共摻了磷和鋁。與光纖 1 相比，光纖 2 具有較小的 23μm 直徑，并且共摻水平較低，但含有更多的鐿，以實現略高的折射率分布（見表 1）。
光纖 1 和光纖 2 的計算截止波長分別位于 1275nm 和 1100nm 附 近。與芯徑為 20μm、數值孔徑（NA）為0．06、截止波長約 1450nm 的典型光纖相比，這要接近單模得多。放大的激光波長中心為 1067nm。
兩種光纖都已經在高功率泵浦方案中進行了測試（見圖 3）。泵浦二極管激光和種子信號被自由空間耦合到光纖中，光纖制備有熔接的端帽和水沖洗接頭，在靜止水浴中用于冷卻。種子是相位調制的外腔二極管激光器（ECDL），其被預放大，以實現1067nm 的 10W 種子功率和 180pm 的光譜線寬。
在光纖 1 的測試中，在 2．8kW 的閾值下，在毫秒級上觀察到突然的波動，這可以歸因于 TMI。長度為30m、種子線寬相同的光纖 2，被泵浦到 3．5kW 的輸出功率，受到 SBS而非 TMI 限制。
在第三個實驗中，修改種子激光光譜，通過光譜展寬到比以前實驗更高的程度，來提高光纖的 SBS 閾值。為此，將具有 300pm 移動中心波長的第二個二極管激光器與第一個二極管激光器組合。這種干擾導致時間跳動，由于自相位調制，使得帶寬隨功率增加。在與之前相同的主放大器中，獲得非常相似的輸出功率值和 90％的斜率效率，但是輸出功率可以提升到4．3kW，而沒有任何 TMI 的跡象（見表 2）。
測量挑戰
測量高功率光纖激光器的所有方面是一項主要工作，需要專門的設備進行多項不同的任務。對于光纖的完全表征，確定了摻雜濃度、折射率分布和光纖纖芯衰減。 例如，測量不同彎曲直徑的纖芯損耗，對于與 TMI閾值的相關性是有價值的。
在上述光纖放大器測試期間，使用光電二極管分析的一小部分功率來確定 TMI 閾值。功率波動的發生相當突然和顯著（見圖 5）。雖然在使用光纖 1 的測試中，這種信號變化是顯著的，但對于光纖 2 的功率水平達到4．3kW 都無法探測到這種情況。相應的斜率如圖 5a 所示。
光譜和時間測量可以用常規技術來執行。它們允許探測諸如 SBS 發生（與 TMI 不同的時間特征）或 SRS（光譜特征）等效應。應當注意在高動態范圍內進行測量，以觀察寄生光譜特征的早期生長，如放大自發發射或SRS。這種高動態光譜如圖 5b 所示，并證明 SRS 是不可探測的。
光束質量測量是光纖激光表征中最困難的部分，值得單獨討論。簡言之，不引入熱效應的衰減是關鍵，可以用菲涅耳反射或低損耗透射光學元件來完成。
在這里介紹的實驗中，使用楔形平板和脈沖泵浦，在比 TMI 出現的時間長的時間范圍上進行衰減。在4．3kW 的輸出功率下，測得 x 方向上的 M2 為 1．27，y 方向上的 M2 為 1．21。
超快科學中的應用
在高功率單模光纖激光器功率提升大約十年的停滯之后，現在開發新一代具有優異光束質量的千瓦級光纖激光器似乎是可行的。業界已經展示了 4．3kW 的輸出功率，并且輸出僅受泵浦功率限制。確定了進一步提升的主要限制，并確定了克服這些限制的方法。
應當注意的是，對所有已知效應的仔細研究和隨后的參數優化，帶來了光纖設計的進步，并最終帶來了輸出功率的新記錄。進一步提升和光纖適應其他應用看起來似乎是可行的，這將是接下來的目標。
這帶來了一些有趣的觀點。一方面，項目合作伙伴希望將結果轉化為工業產品，但需要進一步的重大開發力量。另一方面，該技術與其他光纖激光系統（例如飛秒光纖放大器）的提升高度相關。
在超快激光脈沖的光纖放大中，單根光纖已經實現了近1 kW的功率，而通過組束技術，提升到 5kW 現在看來是可行的。雖然這些系統正在為諸如 ELI 等研究中心研發，開發可靠的光束傳輸手段仍然是工業系統的一項主要挑戰。
單模光纖激光器和飛秒光纖放大器的提升，都將需要大量額外的研究工作。這一努力將得到 FraunhoferIOF 旁邊一幢全新大樓的支持。這個新的光纖技術中心建筑于 2016 年完工，并設有專門的實驗室，用于制造和表征有源光纖、無源光纖以及納米結構光纖。還將安裝用于制造特種光纖的單獨拉絲塔。（文／Thomas Schreiber，Andreas Tünnermann，Andreas Thoss）
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