光纖激光器的興起對高功率切割和焊接應用方面

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。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。
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高的強度。它們還具有大的焦深，這使它們適合遠程加工。然而它們難以制造，只有市場的美國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非常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小損耗、單模運行以及后的高功率放大。的光纖放大器將提供超過90％的高轉換率、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）。
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，沒有佳傳播條件，輸出分布可能會在空間或時間上不穩定。
在上述光纖放大器測試期間，使用光電二非常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 2025 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。