1.1光纤功率限制因素
由于很多因素限制,目前单模光纤激光器光功率限制在1 kW左右,这些限制光纤功率的因素主要有:
(1)光学非线性效应,包括受激布里渊散射,受激拉曼散射和自相位调制;
(2)放大自发辐射,它和激射波长竞争存贮能最,限制最大粒子数反转和最终出射能量:
( 3) 光纤的热破裂极限大约为100 Wcm-1。在不超过热破裂极限时,如果一在段10 m长光纤上能量消耗为15 Wm-1,一个1 kW光纤激光器会消耗<15%的泵浦吸收能量,或者说每千瓦消耗150 w的热量;
( 4) 在l 060 m处如果最大功率大于l Mw,10 μm芯径的掺镱光纤中脉冲激发的块损坏阈值大于60 GWcm-2,连续和表面损坏阈值相当低约为1 Wcm-2。脉冲长度小于100 ns 时,自聚焦阈值约为4Mw,必须考虑。
增加模场直径、加大基模增益、插入空间滤波器、增加高阶模损耗、减少光纤长度、采用光子晶体或多孔光纤等都可以增加光纤最大输出功率,使单根光纤功率达到2 kW。但获得高功率激光的最有效方法还是利用多束光纤组合输出。IPG公司将多束250~400 W瞥模光纤合束,获得输出为10 kW的高功率光纤激光系统。简单的光纤合束固然可以获得高功率输出,但是输出光束是多模的,在一些应用场合效果并不是很好。
1.2光纤寿命
虽然双包层光纤在1 kw量级时是易于处理的,但仍有很多问题影响双包层光纤的可靠性和寿命。例如,由于氟化聚合物包层的受损引起泵浦光衰减。氟化聚合物包层既作为泵浦波导又用为光纤的保护膜。其破坏机理如下:水和玻璃表面作用引起表面形成氢氧根群,在945nm处其吸收也随之增加。通过控制相对湿度保持光纤温度低于40℃时,在lO年内损耗可以小于5%。这个温度要求在泵浦功率达到约3 kW时,光纤要水制冷,而在多根光纤打捆时只需空气制冷即可。又如,掺锗和掺铥光纤置于高功率脉冲激光器中,由于多光子效应会引起明显变黑。而掺镱光纤置于大于60 GW·cm-2(1060nm处脉冲)的激光中时,在5天内光纤的吸收不会产生变化 。