教程:光纤激光器基础

光纤激光器:本教程概述了最常用于制造光纤激光器的技术方法。 它解释了通常用于连续或脉冲光纤激光器开发的组件选择和不同架构。

PDF 版本 :光纤激光

光纤激光器原理:

光纤激光器是一种以光纤为放大介质的激光器。 它是一种利用稀土离子的光放大特性的需要供电的有源模块(就像电子产品中的有源电子元件)。

泵浦介质通常是光纤耦合半导体激光管。 可以使用两种架构(图 1 和 2):

  • 光在两个方向通过光纤放大介质的激光腔配置
  • MOPA配置:(主振荡器功率放大器),其中一个振荡介质产生一个小的“种子”信号,该信号通过光纤放大介质进行放大。
Fiber laser Principle laser cavity configuration
图 1:激光腔配置中的光纤激光器
Fiber laser MOPA principle
图 2:MOPA 配置中的光纤激光器(主振荡器功率放大器)——单级版本

光纤激光器的关键部件:

本节介绍图 1 和图 2 中所示的不同元素。 它包括一些替代供应商类别和选择的示例。

光纤放大

与任何激光器一样,光纤激光器使用受激发射原理。 大多数光纤激光器由光纤耦合组件串联而成。

与各种成分相关的纤维称为“无源纤维”。 无源光纤没有放大特性。 位于放大介质核心的纤维称为“活性纤维”。 有源光纤掺杂有稀土元素(如铒、镱或铥),它们通过将半导体激光管泵浦功率转换为激光功率来执行受激发射。

镱 (Yb 3+ ) 或铒(Er 3+ ) 所需的泵浦波长通常为 915 或 976 nm,而 Er 3+的发射波长约为 1.5 µm,而 Yb 3+的发射波长在 1030-1100 nm 之间。

Fiber lasers energy levels
图 3:有源光纤介质的能级和相关的吸收/发射光谱(仅 Yb3+ 右图)——吸收和发射的综合效应在 1030 和 1100nm 之间为 Yb3+ 产生有利的发射区域,具体取决于离子数量反转比

通常使用两种类型的活性纤维:

  • 当所需的半导体激光管泵浦功率与单模光纤耦合半导体激光管兼容时的单包层/单模光纤(通常<1 瓦)
  • 半导体激光管泵浦功率通常高于 1 W 时的双包层光纤
Fiber laser multiclad fiber
图 4:单模或多模半导体激光管泵浦单包层或双包层有源光纤的原理

四家享有盛誉的有源光纤制造商包括:

  • iX-Blue :法国供应商
  • Nufern :美国(CT)供应商
  • Coractive : 加拿大供应商
  • NKT丹麦供应商 [for very special PCFs – Photonics Crystal Fibers]

泵浦半导体激光管

用于光纤激光器的泵浦半导体激光管是光纤耦合器件,通常基于 AlGaAs III-V 半导体技术,在 800-1000 nm 范围内发射(最常见的是 915 或 976 nm – 参见吸收光谱图 3)。

他们可以分为两大族群:

1- 单模光纤耦合半导体激光管,其中来自小型边缘发射半导体激光管的光被聚焦到 约6 µm 光纤纤芯中。 这种类型的半导体激光管通常组装在蝶形封装中,并在封装中集成了一个 TEC 冷却器(当今的趋势是更小的外形尺寸)。 这些光纤耦合半导体激光管通常能够达到 300 mW 到 1.5 W 的输出功率。 它们用于泵浦单包层有源光纤(见图 4)。

915/976 nm 单模泵浦半导体激光管的主要供应商是在九十年代末开发用于电信市场的光纤放大器(EDFA:掺铒光纤放大器)业务的公司。 由于它们的高产量,它们提供了高水平的可靠性和适中的成本。

1030nm laser diode
图 5:来自 AeroDIODE 的 976nm 单模光纤耦合半导体激光管示例

用于光纤激光器多模光纤耦合半导体激光管通常基于大面积侧发射半导体激光管芯片。 这些也可以分为两类:

  • 单发射器半导体激光管,其中高达 20 W 的单个半导体激光管芯片通常耦合到 105(芯)/125µm(包层)半导体激光管。
  • 多发射极半导体激光管基于多个半导体激光管芯片,这些芯片耦合到类似的光纤中,并提供可扩展至数百瓦的功率水平。
808nm laser diode 1 W
图 6:用于光纤激光器的多模光纤耦合半导体激光管泵示例(左:30 W @ 976 nm,体布拉格光栅稳定以适应 Yb3+ 窄吸收光谱;右:10 W @ 915 nm)

请注意,如图 3 所示,稀土离子(如 Yb 3+ )在 976 nm 处的吸收光谱很窄,需要稳定的半导体激光管吸收光谱。 这种波长稳定性需要控制半导体激光管的温度,并且通常需要包括一个额外的波长稳定元件的半导体激光管。 该元件通常是用于单模半导体激光管(距离半导体激光管大约 1 米的特殊光纤)的 FBG(光纤布拉格光栅),或用于多模半导体激光管的 VBG(体布拉格光栅)。 VBG 本质上是一块集成到半导体激光管封装中的专用玻璃。

这些半导体激光管的价格通常在单模半导体激光管1500 美元、多模单发射器 500 美元和多发射器半导体激光管 2000 美元之间。

驱动半导体激光管并考虑到光纤激光器特有的所有限制和要求是一项需要专门产品的艰巨任务。 以下是两款专为光纤半导体激光管驱动而设计的半导体激光管驱动器,兼容研发和全光纤激光产品集成:

  • AeroDIODE的中央板(链接:光纤半导体激光管驱动器)充当几乎所有类型光纤激光器架构的控制中心。 该驱动板包括 2 个单模半导体激光管驱动器和在连续和脉冲状态下工作的 TEC 控制器,以及用于光纤激光功率监测的 6 个光电二极管测量电路。
  • AeroDIODE 的 CCM(冷却和控制多模)(链接:高功率半导体激光管驱动器)经过全面优化,可驱动一个或多个多模泵浦半导体激光管(单晶或多晶器件),包括高功率 TEC 控制器和空气冷却装置.
Fiber laser diode driver
图 7:AeroDIODE 光纤激光器优化的半导体激光管驱动器:用于单模半导体激光管的中央板光纤半导体激光管驱动器
Fiber laser high power driver
用于多模半导体激光管的 CCM 高功率半导体激光管驱动器

光学种子源

具有 MOPA 架构的光纤激光器有一个种子源模块,该部分用于确定要通过各个放大级放大的初始光学特性(图 2)。

光学种子源模块是光纤激光器架构发生主要差异的地方。 有许多种子源架构。 其中包括以连续或脉冲模式驱动的半导体激光管、为外部高速调制设备供电的半导体激光管(请参阅我们的教程:光纤调制器)、特殊的 Q 开关腔、锁模腔、基于晶体的振荡器微芯片和许多其他方法。 § III(第 9 页)中进一步描述了这些不同的种子源相关架构。 本段仅描述半导体激光管直接调制部分。

如图 3 所述,只有与放大器增益介质兼容的波长才与半导体激光管种子源相关。 下表给出了被通常嵌入有源光纤介质中的掺杂剂放大的不同波长范围:

表 1:光纤激光器放大范围取决于有源光纤的稀土掺杂剂

掺杂剂

激光放大波长范围

Yb3+

1030-1100 纳米

Er 3+

1530-1620 纳米

TM 3+

1800-1900 纳米

Nd3+

1050-1090 纳米

以下是几种常见类型的半导体激光管种子源的摘要(有关更多信息,请参阅我们的光纤耦合半导体激光管详细教程):

  • “标准”半导体激光管种子源是一种常见的部分反射半导体腔,它集成到 14 针蝶形封装中。 波长发射光谱高度依赖于附加的布拉格光栅。 发射带宽通常为 3-5 nm,没有任何布拉格光栅,而带有布拉格光栅的发射带宽要窄得多(~< 0.1 nm)。 波长光谱温度调谐系数通常为 0.35 nm/°C,没有任何布拉格光栅,而带有布拉格光栅时要小得多。 波长光谱温度调谐系数通常为 0.35 nm/°C,没有任何布拉格光栅,而有布拉格光栅时要小得多。
  • DFB 或 DBR 半导体激光管种子源设备具有直接集成到种子设备的半导体激光管芯片部分的布拉格光栅波长稳定部分。 这为DFB(即~10 -5 nm)提供了更窄的发射波长,通常为2 MHz,并立即锁定波长。
图 8:来自 AeroDIODE 的 1064 nm(左)和 1550 nm(右)的 DFB 半导体激光管种子源示例。

当在脉冲状态下使用时,这些半导体激光管可以放大到非常高的增益水平。

半导体激光管/光纤合路器

将来自光纤耦合半导体激光管的光耦合到有源光纤中是一个复杂的过程。 对于需要注入输入种子源和泵浦光的 MOPA 配置(图 2)尤其如此。

单模光纤耦合半导体激光管与多模光纤耦合半导体激光管在此耦合过程中使用的组件不同

对于单模半导体激光管泵浦,通常使用两种类型的组件:

  • TAP 耦合器/WDM:它们基于将两根光纤熔合和转动在一起的原理,使两根光纤的模式可以耦合都能达到目标性能。 这里的一大限制来自于从两个不同波长实现良好耦合性能所需的最小波长分离。 通常需要几百纳米的差异。
  • 薄膜 WDM(波分复用器):当抽头耦合器不工作时可以采用这些解决方案。 这些组件基于薄膜二向色滤光片技术。 在组件内部时,光实际上并不在光纤中,但我们认为它是一个光纤组件。
Fiber laser WDM component
图 9:光纤激光器中通常使用的抽头耦合器(左)和薄膜 WDM(右)示例

将来自一个或多个多模光纤耦合半导体激光管的光与单模种子源结合起来是一项非常困难的任务。 当使用诸如 PCF(光子晶体光纤)之类的特殊光纤时,这变得更加困难。 许多技术使用在特殊玻璃管中将多根光纤熔合在一起的原理。

Fiber laser combinor
图 10:来自 ITF 的多模泵浦合路器示例(左)和 6+1 对 1 合路器原理 (OFS) 的图示 - (由 ITF 和 OFS 提供 - 网站)

许多亚洲供应商提供此类组件。 下面列出了四家信誉良好的供应商。 前两家供应商更专注于单模组件,而后两家则以多模合路器而闻名:

反光介质/过滤介质

  • 反射介质——布拉格光栅镜

广泛用于光纤激光器的一个关键部件是布拉格光栅,它是光纤纤芯中折射率的周期性或非周期性扰动。 这些通常是通过用紫外线照射锗硅酸盐纤维制成的。

布拉格光栅允许任何类型的反射/透射光谱,具体取决于光纤紫外照明的制造方式。

对于图 1 中描述的激光腔,布拉格光栅用于提供全反射镜或部分反射镜以构建激光腔。

Fiber laser bragg grating
图 11:光纤布拉格光栅原理和光纤布拉格光栅供应商示例(由 iXblue 提供)
  • 过滤介质 – 布拉格光栅过滤器

光纤激光器(尤其是 MOPA 配置)面临一种称为 ASE(放大自发发射)的不良效应。 这是一种双向放大效应,从低水平的光开始,与播种机光的放大产生负面竞争。 ASE具有与稀土掺杂剂的增益谱相关的谱。 因此它非常宽,并且强度沿光纤长度非线性增加。

由于种子源光谱通常比 ASE 光谱窄得多,因此需要沿光纤激光器长度添加一些过滤装置,以使 ASE 光谱上的损耗高于这些波长处的增益,但仍允许播种机光经过。

Fiber laser competing gain
图 12:1064nm 的窄播种放大与宽 ASE 和布拉格光栅滤波效应之间的竞争增益效应示例。 (沼田,健二等人。 J.Phys.Conf.Ser. 228 (2010))

切换媒体

从历史上看,图 1(腔)和图 2(MOPA)的两种替代配置分别与连续光纤激光器和脉冲光纤激光器相关联。 现在不再是这种情况了,因为许多高功率连续架构使用 MOPA 放大原理,并且一些脉冲配置是在一个独特的腔中进行的,之后没有放大器。

在腔体配置中制造脉冲光纤激光器需要时间相关损耗介质,该介质既可以是可饱和吸收体(例如第 III 节中描述的 Q 开关或锁模架构原理),也可以是用于主动损耗同步的开关介质。

开关介质可以是 AOM(声光调制器)、EOM(电光调制器)或以脉冲方式驱动的 SOA(半导体光调制器)。 这 3 种高速光纤调制技术在另一个教程“光纤调制器”中进行了比较。

图 13:光纤耦合调制介质示例 [AeroDIODE 的声光调制器(左)、iX-Blue 的电光调制器(中)和 Innolume 的半导体光放大器(右)](由 AeroDIODE、iXBlue 和 Innolume 提供 -网站)

其他组件

光纤激光器通常还包括一些监控组件,以便在每个阶段永久验证其功率水平。 光纤光电二极管就是这样的组件。 通常有必要了解光电二极管如何随时间(速度)和其他参数(例如温度等)变化。 拥有详细的参考数据表很有用,因为许多光电二极管技术参数彼此相似。 一个非常详细的参考 InGaAs 光电二极管 10 页数据表是Lumentum 的 EPM 6xx 系列

Fiber laser photodiode
图 14:Lumentum 的 EPM 系列 InGaAs 光电二极管:可能是当今市场上最详细的光纤光电二极管数据表(由 Lumentum 提供)。

通常,脉冲 MOPA 高功率光纤激光器至少需要 5 个光电二极管,这些光电二极管参与光纤激光监控以及各种安全和内部联锁:

  • 一个光电二极管来控制种子源的平均功率
  • 一个快速光电二极管“监视”种子源脉冲,并在缺少脉冲时启动一些快速保护措施。
  • 每个阶段有一个光电二极管,用于控制平均功率,尤其是在脉冲拾取单元的两侧(如果它是激光器的一部分)
  • 一个“BRM”(背反射监视器)控制返回光纤激光器的功率
  • 1 或 2 个输出光电二极管(当功率级别不允许使用光纤设备时使用光纤或不使用光纤)。

所有这些光电二极管都参与了一些特殊的启动和关闭程序,以避免损坏光纤激光器。

在单级或多级 MOPA 配置中需要很好地控制的主要破坏性影响是来自泵浦半导体激光管仍然打开而种子源没有发射的潜在情况。 这会立即产生巨大的脉冲,从而在光纤激光器内造成永久性损坏。

AeroDIODE的中央板具有约 50 种与上述所有光纤激光器组件相关的特殊电子功能,可制造几乎任何类型的下述光纤激光器架构:

Fiber laser diode driver inputs-outputs
图 15:AeroDIODE 的中央板具有约 50 种特殊的电子功能,与上述所有光纤激光器组件相关联,可制造几乎任何类型的下述光纤激光器架构

光纤激光器架构:

介绍

下面显示的各种架构旨在为读者提供一个典型约束的概述,这些约束决定了一些典型的光纤激光器架构。 当然,确实存在许多变体,并且必须使用像RP光纤电源这样的良好仿真软件来确定最佳架构。

请注意,为清楚起见,下图中未显示隔离器(在每个阶段)和监控光电二极管。

连续光纤激光器

当对光输出特性(如波长等)有特定要求时,连续光纤激光器通常由端部泵浦简单的基于布拉格光栅的腔体制成,并带有一些放大级。

典型的连续光纤激光器架构如下图 14 所示。 多泵腔用于产生高功率水平。 通常最好采用很长的光纤以最大限度地吸收并避免光栅两侧的任何残留光,这些残留光可能来自另一侧的泵浦。

选择较长的光纤会降低有源光纤内的整体反转水平。 如图 3 所示,吸收和发射的综合效应使 Yb 3+的最有利发射区域在 1030 和 1100 nm 之间,具体取决于离子的布居反转比。 反转能级越低,波长增加得越多。 这就是为什么 KW 级连续光纤激光器的波长一般高于 1080 到 1100 nm 的原因。

Fiber laser CW
图 16:连续光纤激光器的典型架构

典型的高功率光纤激光器如图 15 所示。 使用种子源半导体激光管光源并且需要多个放大级才能达到高功率水平。 请注意,通常需要使用模式剥离器来去除有源光纤之后的剩余泵浦功率。 通常还需要一个或多个 ASE 滤波器来消除放大的自发发射并保持良好的信噪比。

Fiber laser high power
图 17:典型的光纤激光器架构/高功率连续光纤激光器(此处仅显示一个放大级,而通常使用多个级)

脉冲光纤激光器(毫秒/微秒范围)

当应用高泵浦功率时,Yb 3+离子的粒子数反转时间尺度通常在 20-200 微秒的范围内(通常约为 Yb 3+寿命的 10%)。 这意味着,当人们想要获得一些比此范围更长的脉冲时,泵浦功率可以是电子脉冲的,并且在这些脉冲期间可以实现与连续激光器相同的行为。 这意味着用于毫秒或微秒光纤激光器的典型光学架构与连续光纤激光器相同。 只有整体热特性不同,在设计低占空比光纤激光器时可能需要选择不同的组件。

脉冲光纤激光器(纳秒范围)

当人们想要产生 1 ns-10 µs 范围内的短脉冲时,我们就进入了纳秒脉冲光纤激光器的世界。

如上所述,Yb 3+离子的特性不足以通过调节泵浦功率来产生这样的脉冲。 因此,有必要保持连续的泵浦功率并找到一种不同方式产生脉冲的方法。

在这里我们与与马桶冲水类比。 光泵是进入冲洗罐的水,并使用一种技术使其以所需的频率冲洗(在此比较中,冲洗是光脉冲)。 通过比较,我们可以了解一些重要元素:

  • 在考虑 连续泵送(连续水流)时,可以想象需要最低冲洗频率,否则连续流入的水会溢出。 光纤激光器的最低频率通常为 5 kHz。 低于此频率,一些 ASE 功率开始在脉冲之间从光纤中流出。
  • 我们还可以注意到一个重要参数是活性纤维中的离子数量。 这个数字与每个脉冲可以获得的绝对最大能量直接相关(马桶水箱大小决定了可以获得的绝对最大水量,而通常获得的水量较少,因为分离的机制使水停止填充马桶)。
  • 最新一代光纤激光器电子电路用于在 MOPA(放大)纳秒光纤激光器架构中应用泵浦脉冲(参见 §IV 中对此类电子设备的描述)。 同样,与马桶冲水类比,当考虑水箱填充的两种影响时,水箱填充的开始和停止与冲洗以填充马桶的动作分开。

如本文开头所述(图 1 和图 2),有两种截然不同的架构:单光纤激光腔和 MOPA(主振荡器功率放大器)。 大多数纳秒光纤激光器架构都是基于 MOPA 架构,除了单腔 Q 开关架构。

  • Q开关纳秒光纤激光器

Q开关光纤激光器是在光纤激光器腔中集成了一个专门的快速开关/调制组件时获得的。 该组件可以是在脉冲状态下驱动的 AOM(声光调制器)、EOM(电光调制器)或 SOA(半导体光调制器)。 有关此类组件的详细说明,请参阅我们的教程:“光纤强度调制器”。 将组件切换到低损耗水平会释放通常为几纳秒的高能量脉冲。

Q 开关架构的示例如图 18 所示。 快速 AOM 用于应用损失。

Fiber laser nanosecond Q-switch
图 18:Q 开关纳秒光纤激光器架构示例

这种架构的优点是它非常简单,因为它只需要很少的组件。 然而,模块化和控制光学参数的能力相当低。

  • MOPA 纳秒光纤激光器

目前销售的大多数雕刻光纤激光器都是基于这种架构。 例如,1064 nm 的种子源半导体激光管由一些专门的快速电流脉冲电子电路产生脉冲,然后用不同级有源光纤进行放大。 典型的放大级产生 10 到 20 dB 的增益。 基于该增益水平,一些不需要的 ASE(放大自发发射)效应会放大不需要的波长。 因此,希望在每一级之间有一个带有 ASE 滤波器的多级放大器,而不是最大化给定级的放大增益。

Fiber laser multistage nanosecond MOPA
图 19:用于放大由脉冲半导体激光管驱动器产生的纳秒种子脉冲的多 (3) 级 MOPA 光纤激光器架构。
  • 纳秒光纤激光器的重要影响

在考虑脉冲半导体激光管的光纤激光放大时,需要考虑四个重要影响:

半导体激光管增益切换效应:当向半导体激光管施加电流时,一定量的能量会存储在增益介质中。 该能量随后在脉冲的初始部分(皮秒范围)以短脉冲的形式实现。 该脉冲通常约为 100 ps 脉冲持续时间。 这个短脉冲可以被视为一个机会,例如当试图产生非常短的脉冲时,或者在考虑将纳秒范围脉冲放大到高能级时被视为一个问题(图 20 显示了在使用 AeroDIODE 脉冲半导体激光管驱动器生成具有增益开关峰值的典型 3 ns 脉冲) AeroDIODE脉冲半导体激光管驱动器)。

Fiber laser 3 ns pulse
图 20:3 纳秒短脉冲示例。 在脉冲的早期部分观察到 ~100 ps 增益开关脉冲
155
该脉冲由 AeroDIODE CCS 脉冲半导体激光管驱动器获得

脉冲半导体激光管发射光谱的演变:当直接脉冲通过半导体激光管时,用户应考虑到两种不希望的光谱效应:

    • 1- 第一个与半导体激光管“锁定”到其布拉格锁定元件所需的时间相关。 这种锁定对于 DFB 来说是即时的,但对于基于布拉格光栅的半导体激光管,通常需要超过 100 纳秒。 换句话说,当半导体激光管脉冲布拉格光栅稳定时,第一纳秒产生宽发射光谱,就好像没有布拉格光栅一样。 一些供应商提供了一种名为“布拉格接近芯片”的中间解决方案,只需几纳秒即可锁定。
    • 2- 另一个不可避免的影响来自频率/相位谱和强度分布的耦合。 更具体地说,发射光谱随脉冲长度而变化,这有时会成为一个问题。 使用例如SOA 等外部调制提供了一种智能解决方案来避免这种影响。 请参阅我们的教程:光纤强度调制器基础,详细比较四种常用的外部调制激光技术。

脉冲形状的变形:当考虑具有高增益多级配置的 MOPA 光纤激光器架构时(如图 17 所示),有源光纤增益取决于掺杂剂数量反转水平。 这些电平在脉冲持续时间内降低。

因此,会发生脉冲变形,从而阻止输出端形成漂亮的方形脉冲形状。 一些脉冲半导体激光管驱动器可以调整给定脉冲的形状以预先补偿这种效应,并在最后放大级的输出处达到所需的脉冲形状。

光纤非线性效应:光纤放大器将光集中在一个小直径的纤芯中,使我们能够将功率密度提高到非常高的水平。 当考虑高脉冲峰值功率时,这可能成为一个主要问题,因为许多光学非线性效应出现在一定水平的峰值功率和光谱密度之上。 这些效应,如 SBS(受激布里渊散射)或 SRS(受激拉曼散射),往往会扩大发射光谱和脉冲持续时间。 SBS 是一种非线性地依赖于光谱密度的效应。 在使用纳秒脉冲时,选择更宽的发射种子并避免窄谱宽 DFB 可能是达到更高峰值功率的不错选择。 另一种解决方案是使用 EOM(电光)相位调制器。 这拓宽了发射光谱,同时保持了 DFB 良好的光谱稳定性。

AeroDIODE 的中央板具有一个针对低噪声连续驱动进行优化的半导体激光管通道和一个针对连续和纳秒短脉冲进行优化的通道。 它还包含许多与光纤激光器相关的功能,例如多个光电二极管输入。 中央板充当光纤激光器的“控制中心”。 中央板还能够处理脉冲泵浦功能,这在设计低重复率、高能量系统时非常有用。 请参阅此产品页面:光纤半导体激光管驱动器

Fiber laser diode driver
图 21:该光纤半导体激光管驱动器充当光纤激光器的控制中心。 它包括一个单模连续脉冲驱动器和一个纳秒和连续半导体激光管驱动器。

脉冲整形器板是 AeroDIODE 提供的另一款驱动器,它可以解决上文详述的四个问题中的两个:它可以预补偿脉冲形状并具有特殊的增益开关抑制功能。 由于其内部 AWG(任意波形发生器)每 500 ps 生成一个点,动态范围为 48 dB,因此可以将波形调整到非常短的脉冲宽度。 它还包含 3 个脉冲延迟发生器输出。 请参阅此产品页面:高速半导体激光管驱动器

Fiber laser pulse shaping
图 22:在直接驱动器配置中设置的 AeroDIODE 整形器模块是一种高速半导体激光管驱动器,可生成专门的光脉冲形状
fiber laser shaped pulse
例如,在模块内编程后从 DFB半导体激光管获得的脉冲

CCM 模块是 AeroDIODE 提供的第三款半导体激光管驱动器。 这种高功率驱动器旨在控制上述所有光纤激光器架构中引用的多模单发射极和多发射极半导体激光管。 它完全专用于驱动一个或多个多模泵浦半导体激光管(单个元件或多个元件),包括带有风冷装置的高功率 TEC 控制器。 它包含许多功能,可在优化和紧凑的风冷装置中驱动任何此类激光器。 见产品页面:高功率半导体激光管驱动器

Fiber laser high power driver
图 23:AeroDIODE 高功率半导体激光管驱动器。 适用于 AeroDIODE、Lumentum、IPG 等多元素半导体激光管。

脉冲光纤激光器(皮秒范围)

皮秒光纤激光器在 10 皮秒到 1 纳秒的脉冲宽度范围内工作。 这些不属于“高速”。 高速通常与产生低于 10 皮秒的脉冲宽度的特殊架构相关联,并且通常在飞秒范围内。

这些皮秒激光器通常与图 17 中描述的 MOPA 纳秒光纤激光器架构非常相似。 唯一的主要区别来自种子源,因为通过直接脉冲半导体激光管来获得非常短的脉冲变得非常困难。 因此,我们可以将皮秒光纤激光器架构分为 3 类:

  • 增益开关控制的直接半导体激光管种子源

获得皮秒光纤激光器的最简单配置是使用半导体激光管的增益开关效应(见上文)。 这种效应发生在光脉冲的前 100 皮秒内,此时向半导体激光管施加一个短电子脉冲(见图 18)。 PicoquantNKT(前 Onefive )等公司以在放大之前利用这种效应而闻名。

使用增益切换方法很难获得稳定的脉冲。 这对半导体激光管的选择、半导体激光管集成(光纤耦合)和驱动器电子性能产生了许多限制。 这些半导体激光管达到的能量通常约为 10 皮焦,因此达到 1 mJ 需要 80 dB 增益。 已知典型的放大器级增益约为 15 dB,它可能需要大约 5 级放大,每个级必须包含所有隔离器、ASE 滤波器和半导体激光管泵,以便使用这种方法来创建皮秒光纤激光器。

  • 外部调制种子源:

实现短脉冲的另一种方法是使用非常快的外部光纤调制器,如我们的教程“光纤调制器基础”中所述的 EOM(电光调制器)。 通过脉冲光源半导体激光管可以克服此类组件的峰值功率限制。 在任何情况下,与这种方法相关的损耗使每个种子脉冲的能量非常低,这使得放大部分非常昂贵。

  • 微芯片种子源:

第三种为光纤激光器制造短脉冲种子的方法是利用晶体腔中的 Q 开关效应。 这些元件使用带有可饱和吸收体的晶体增益介质(例如 Nd:YAG 或 Nd:YVO4)。

这些被称为“微芯片种子源”的组件在历史上一直用于产生纳秒脉冲(以 Cr4+:YAG 作为可饱和吸收体),在给定的重复频率下通常产生 3-10 ns 的脉冲。

最近,已经使用半导体技术开发了非常快的可饱和吸收体。 这些通常称为 SESAM(半导体可饱和吸收介质)。 像Batop提供的组件现在被广泛使用,产生的脉冲小于 30 皮秒。 808 nm 泵浦通常用于 Nd 3+泵浦。 在 100 纳秒范围内对泵进行脉冲是控制重复率的好方法。

Fiber laser microchip seeder
图 24:用于产生皮秒脉冲的典型微芯片种子源。 这里可以使用纳秒脉冲 808nm 单模泵来控制微芯片的重复率。

脉冲光纤激光器(飞秒范围:“高速”)

本教程中讨论的最后一类光纤激光器将我们带入非常复杂的高速激光器世界。 高速激光器的脉冲宽度通常在 10 飞秒到 10 皮秒之间。

由于激光-物质效应是“无热的”,因此这些源现在对许多激光-物质相互作用应用具有重要意义。 物质直接从固态转变为等离子态,而不经过液态。 这提供了非常高分辨率的加工,现在广泛用于半导体、眼科手术和智能手机行业。

这里也使用了典型的放大 MOPA 架构。 然而,有两个重要原则需要考虑:

锁模原理是播种机“振荡器”的基础:

海森堡原理指出,放大光谱带宽和脉冲持续时间的乘积不能低于给定值。 换句话说,超短脉冲意味着宽光谱发射带宽。 100 的飞秒脉冲意味着 10 纳米的光谱带宽。 超短激光器总是具有宽发射带宽和许多空腔共振模。

只有当各种模式都同相时,给定发射模式梳的傅里叶变换才会产生超短脉冲。 因此,制造超短脉冲激光器包括建立一个宽放大腔并添加一些元素,通过调制腔内的损耗使腔模同相发射。 可以使用有源调制器,例如 AOM(声光调制器)或 EOM(电光调制器)。 SESAM(半导体可饱和吸收介质)等无源版本通常是构建基于工业光纤激光器的极速振荡器的最佳解决方案。

锁模腔在腔长和超短脉冲重复率之间有直接关系。 典型的锁模振荡器的脉冲重复率在 1-100 MHz 范围内。

光学参量啁啾脉冲放大 (OPCPA):

放大锁模振荡器信号需要放大非常短脉冲的高频信号。 它产生了三个主要困难:

1. 首先,如果想要获得足够的能量来对物质产生影响(即超过 1 微焦耳),保持 50 MHz 的重复频率需要 50 W,这可能需要数百瓦的泵浦功率才能对物质产生很小的影响。 因此,最好通过挑选一些脉冲并将重复率降低到 kHz 范围来降低振荡器的脉冲重复率。

需要注意的是,高速振荡器通常在 MHz/nJ 范围内,而用于激光微加工的放大激光器通常在 kHz/µJ 范围内。

脉冲拾取通常由光纤或非光纤 AOM(声光调制器)操作。

AeroDIODE 开发了一种用于脉冲拾取同步的通用工具。 它允许设计人员以与来自光电二极管的输入时钟信号同步的所需低频生成触发门

Fiber laser pulse picker synchronization tool
图 25:AeroDIODE 提供的脉冲选择器同步电子设备。

2. 其次,放大非常短的脉冲会产生两个后果。 考虑晶体放大器时,峰值功率很快达到损坏阈值。 在考虑光纤放大器介质时,一些非线性效应会迅速破坏脉冲特性。 因此,有必要以这样一种方式拉伸脉冲宽度,以便在放大处理之后可以返回到短脉冲。 在这种情况下使用的效果称为“分散”。 它通过耦合其光谱和时间特性(脉冲开始时的一种“颜色”和脉冲结束时的另一种“颜色”)来拉伸脉冲。 一种特殊的“空心”光纤可用于在放大之前拉伸脉冲,而空间光栅通常用于压缩放大的脉冲并达到高速放大脉冲的特性。

Fiber laser OPCPA
图 26:OPCPA 原理(由 S. Witte 等人提供)

3. 第三,光纤内的超短脉冲宽度非常迅速地产生非线性效应,并且所有的高速放大光纤激光器都结合了一些光纤部分和一些非光纤部分。 一个好的非线性效应模拟软件,比如Fiberdesk在这里显然是必须的。

用于制造几乎所有光纤激光器架构的模块化光纤激光器电子设备:

AeroDIODE 开发了一系列电子驱动器,几乎可以构建上述任何光纤激光器架构。 这些驱动器可以一起通信,并且可以控制任何类型的半导体激光管和许多脉冲或连续波状态的光电二极管。 它们旨在简化将它们集成到紧凑型原型中的过程。 这使设计人员能够更快地获得光纤激光器产品和开发时间框架。

Aerodiode multiboard control center
图 27:AeroDIODE 多板系统让研发团队节省大量时间
图 28:一个特殊的安装框架允许堆叠几乎所有 AeroDIODE 产品。 这使用户节省了大量时间。