抽象性

近20年来,纤维激光系统快速开发并广泛用于高质量、高效、强健和紧凑性但仍有许多因素(如非线性效果、热效果和模式不稳定性)限制纤维激光系统能力进一步增强活性拉曼散射(SRS)是纤维激光传输过程的主要限制之一。这不仅会降低纤维激光输出效率,而且还会增加反斯托克斯光线对系统造成的损害风险最近的研究显示,低模纤维SRS除模式不稳定外还可能导致半静态模式退化。多传感器增强技术引入纤维领域后,它成为传播高能高波束纤维激光的有效手段。以多传感器信号增强技术为基础,本文探索该技术对模式减慢纤维激光系统输出效率的影响,该技术为纤维激光输出效率和传输分析法提供了新思想和方法

开工导 言

1961年,Snitzer美国光学开发一号,2..高转换效率、高波束质量和紧凑性等独有长处,纤维激光为地球科学、强田物理、原子和分子物理、频率转换、波束合成和工业处理等广泛应用展示出希望由像Dr.D.Charles高博士E.Snitzer博士奥列格GOkhotnikov博士Valentin Gapontsev, 纤维激光技术在不断发展,单模激光功率已达10kW阈值3..光纤特殊波导结构允许激光能主要限制在华府m级纤维核心,随着激光增能,非常高能量密度将在核心内开发,造成各种有害的非线性效果4,5..Lawrence Liverore实验室(USA)和National Defense技术大学(中国)分别对半导体抽取结构下激光系统输出功率限制和同带抽取结构进行了理论分析,结果显示SRS效果是限制增能的主要因素之一,并实验得出相同结论为了实现高功率激光输出,微模纤维广泛用于高功率纤维激光系统[6..最新结果显示,在微模纤维中,SRS诱导半静态模式退化并引模式不稳定性(TMI),相应的阈值功率远低于前模型定义的限制近相偏输出功率阈值[7..因此,必须采取有效策略抑制SRS并改进现有高能高波束激光系统输出

研究者联合努力加深对SRS的理解,开发并归纳相关抑制技术早期审查提高SRS传输性能技术主要侧重于纤维结构和长期拉曼抑制栅格设计8,九九..除纤维设计外,结果还显示系统参数对SRS有极大影响。因此,有必要归纳每个参数对一般层次SRS强度的影响并研究优化方向同时,随着技术开发,新纤维结构设计拉曼抑制格技术出现并显示优异性能,其中之一是多传感器增强技术[10..本文分析多传感器增强技术对SRS传输效率特征的影响,并提议基于多传感器信号增强技术的纤维结构设计传输分析法在此基础上,进一步提高纤维激光传输效率多传感器增强技术机制得到进一步澄清。

二叉新建物理特征 sRS特效基础多传感器信号

半经典物理配方SRS表示事件频率光子ω公元前与介质固有频率交互ωV级组成Stoks光子频率ωs级反Stokes光频ωa/[11-13..一方面,它转移能量从信号光向拉曼散射光,导致输出波束电能转换效率下降反向SRS生成的Stoks光线为双向Stoks光时,后向Stoks光电达一定值时,它增加激光系统光学组件受损风险,限制激光系统电量的进一步提高[14,15..光强度非线性效果使用微模纤维增加模式字段可有效抑制SRS增加模式字段允许纤维支持多模式最近的研究表明微模纤维SRS效果导致输出束模式退化,可分解为动态模式退化(即横向模式不稳定)和准静态模式退化

作为对当前纤维激光系统增强功能的一个主要约束因素,TMI物理特征表现为输出激光质量在输出激光平均功率达阈值后急剧退化,基模式和高阶模式间动态能量转移khz排序,这表现为输出束横向模式不稳定[16..在拉曼纤维放大器中,数量损热生成工序中也可以形成热反射指数栅格,导致拉曼光学TMI并导致基阶和高阶模式之间的动态能量联动[17,18号..ythi-ion-Raman混合增益激光系统最近也观察到这种现象。实验结果还显示,当SRS诱导TMI时,信号光分布显示横向时空不稳定性,而Raman Stokes光仅因强度变化而异,横向分布不变,与点形时间演化和信号光模式分解相对应,如图所示一号.即SRS诱导TMI发生信号光比Raman光


图1
Raman Stokes光强度对应信号光时间进化

由于TMI编组需要一定强度热加载,SRS诱导TMI通常发生,拉曼分权大于50%[19号..最近,在拉曼电量份额相对较低时观察到另一种准静态模式退化(见图二)。2)实验性拉曼功率分享达3%时,输出光束质量快速下降,点点显得焦躁这种现象可以通过抑制SRS有效抑制20码..时域信号结果显示相应的igencrees物理机制半静态模式退化目前有两种解释:一是信号光基本模式与拉曼高阶光模式相联因模式间混合效果则由核心泵拉曼效果而导致信号光模式退化


图2
准静态模式退化拉曼功率分享

3级SRS传输特征分析法基础多传感器信号增强技术

一方面,微模纤维系统新物理特征进一步限制高能高波束光素系统增强能力另一方面,作为一种新现象,对于基于多传感器增强技术的纤维中SRS传输特性基础机制仍然缺乏清晰统一的理解,实验结果不完全匹配理论解释21号..SRS主动抑制策略可动态调节拉曼强度,这有助于深入调查这一现象背后物理机制感应器动态调控SRS传输属性中的拉曼强度可帮助深入调查这一现象背后物理机制因此,鉴于光传输效率瓶颈问题,有必要系统审查多传感器信号增强技术对SRS传输特征的有益效果,并进一步发展相关传输分析思想和新方法以多传感器信号增强技术结构设计为基础,本文从纤维设计和系统优化角度概述光纤传输特征法

3.1.光传感器

组合方程描述连续波操作中的 sRS效果,忽略稀土离子光学增益、分散性和非线性特效,如自相调制和SRS跨相调 去哪儿一s级并一R即信号和拉曼光强度 raman增益系数ωs级并ωR信号和光频并αs级并αR对应信号和拉曼光线损失因子

损耗拉曼光线表示αRIRLeff和增益条件 Risirleff提高SRS传输效率需要“提高拉曼损耗并减少拉曼增益,同时尽可能确保光电和波束输出信号质量 ” 。 与拉曼增损相比,拉曼增益从根本上减少了拉曼光线生产一方面提高传输效率和系统稳定性减少增益还减少由SRS造成的量子损失产生的热生成正因如此,“拉曼光增益减法”是当前光传感器信号技术常用策略后一种方法除使用大模式田间纤维增加核心面积外,还可通过光感应器实现。此外,总增益可通过减少有效动作长度而减少

3.1.1素材组件

Huetal[22号sRS效果可用Yb:YAG衍生纤维取代传统SiO2石英纤维减少Stoks光学增益系数显示Y增量2O级3+AL2O级3纤维内容导致拉曼增益系数下降,如图所示3.


图3
Y图 2O级 3+AL 2O级 3纤维内容拉曼增益系数

2021年Sciortino等[23号归纳整理纤维材料对非线性效果的影响,表示可表示SRS功率 去哪儿V级m摩尔体积和联结压缩因子

为了实现拉曼低增量,纤维材料需要能够满足下列条件:(1)材料高度混乱,从而扩展拉曼增益频谱并降低峰值(2)高集中低增益系数素材 使用中 。3级激光系统拉曼频谱与拉曼增益频谱相匹配

3.1.2大模式字段传感器

光强度非线性效果是提高SRS传输效率的最有效方法之一,它一方面导致拉曼泵式光强度下降,另一方面意味着通过增加模式字段减少有效动作距离总的来说,纤维素反射指数高,导致微模纤维模式字段面积进一步增加,从而导致TMI阈值下降,该阈值与纤维用材相关联。大模式田间纤维设计核心因此通过嵌入大模式田间传感器抑制TMI,从而提高纤维传输效率最常用大模式传感器纤维为部分倾斜纤维、胶合纤维和spindle纤维偏离式纤维局部嵌入中心提高基本模式增益能力并通过大模式场传感器实现高阶模式抑制磁带纤维沿纤维轴分布非单式核心体积,可有效脱去高阶模式并增加TMI阈值spindle纤维可等同一对粘合纤维减色模式场与磁带纤维相比进一步提高输出激光波程质量然而,随着输出功率进一步提升至8.5kW,SNR快速下降至13dB,限制激光系统功率提高

3.1.3离域传感器

2021年Yang等[24码设计Yb双分布式滤波纤维图显示折射索引分布4内置Yb-doped核心封装高折射索引brium-dod环Yb反射核心封装高复用索引环,预形嵌入星形并涂上低反射索引聚合物以实现封装泵图5显示纤维模式分布,折射索引的独特横向分布允许信号光和Raman散射光等不同模式分布2021年,Pei等[25码引入弯曲补偿封装,允许纤维长长保持低增益,并有可能用于长距离(>20m)kW级激光传输


图4
环分布式滤波纤维折射索引分布

图5
模式分布带反射索引横向分布
3.1.4.几何传感器

延时几何传感器基础事实显示,通过增加增益纤维的吸收系数来减活性长度是SRS等有效传输效率策略,通常可以通过提高稀土离子用量集中度和增加核心内嵌比实现。增加用药浓度可增强增益纤维光子染色效果,影响激光性能提高核心覆盖面积比一方面增加核心面积,即大模式田间纤维技术,并减少封口直径2018年Choi等[26将低频反射索引石英棒嵌入圆形双层纤维内部包(纤维结构图显示6)光纤振荡器高泵吸收法有效动作距离比常规20/400长33%华府m双片纤维,而SRS阈值则从1.6kW提高至2.4kW


图6
以几何传感器信号增强技术为基础的纤维结构

与其他传输效率策略相比,增加模式字段一方面减少光强度,另一方面缩短纤维长度,从而提供极佳拉曼抑制8kW高波质量激光输出与中央悬浮纤维相实现,5kW高波质量激光输出与spindle纤维相实现各种纤维设计互不对立意味着组合设计策略是可能的组合多项策略,例如对旋形纤维设计引进中央局部下药并改进大模式田间纤维材料,可进一步抑制SRS并增强高波束质纤维输出力

3.2sRS传输特征分析法

一方面,特殊光纤技术需要特殊纤维设计,这些设计相对复杂,准备费用较高。另一方面,纤维是激光系统的一个组成部分,输出激光性能由系统所有组件确定除使用特殊纤维外,还可以通过优化其他系统参数(如总体结构、泵模式和种子特征.)来提高SRS传输性能光学常用组件,纤维条纹还显示极佳拉曼滤波性能

3.2.1整体结构

为了抑制 sRS效果 kW类多传感器信号,往往需要使用大模式字段纤维(核心直径>20华府m)减少纤维长度并减少有效动作距离2017年Berto等[27号表示双程放大有效动作距离比单程放大高2倍,尽管纤维长度低于3m双向抽取双程纤维放大器生成的SRS强度与带逆波抽取单程放大器的强度相似。2017年Wang等[28码sRS特级联泵ythiumdo模型指出,虽然拉曼效果可以通过低用量浓度和短纤维长度抑制,但应考虑其对泵吸收和放大效率的影响为了避免泵光残留量过大,中央波长1018纳米抽取条件的纤维长度应大于50米

3.2.2.2嵌入多传感器增强技术

单振荡光素系统有简单结构系统及低生产成本的长处,并基本消除因物反射对激光系统造成的损害为了提高单振荡口限值,调查了振荡口核心组件Bragg栅格对SRS的影响Lin显示,虽然通过增加OC-FBG带宽可以抑制SRS,但带宽增加也会增加HR-FBG反向泄漏能力此外,OC-FBG单振荡口结构反射性也对拉曼光有作用。结果表明拉曼光线随着OC-FBG反射率下降而下降,但低OC-FBG反射率导致输出功率波动,因为物反射光向共振洞传输分析基础为过滤光栅

Sun等时[29开始使用多段长片串装过滤器 Raman纤维插件过滤器广受关注并快速开发,原因是拉曼拒绝率优和插入损耗相对较低

长时标定原理显示具体波长拉曼光相联并漏入标定后封套中,相应的传输频谱显示在图中7.先前成等[30码写LPGs10/125华府m纤维使用CO2激光并减少插入损耗 1030nm信号光向0.01d实验中,三次长时标数相联翻倍SRS阈值,并可以相联对标数作进一步的加法以达到更好的抑制Raman光线反射损耗达26DB,长段标注并不会显著影响信号光传输损耗优化14/250华府m长段标定插入MOPA激光系统并实现SNR24dB805W输出功率


图7
光线波长关系

2016年 De等[31号优先建议使用cerped倾斜栅格抑制SRS,如图所示8上拉曼光线反射角向上拉曼向下拉曼向下拉格拉格向下拉曼向下拉拉曼向下拉拉格拉格向下拉拉曼光相较于长段倾斜拉格频谱持续并可以通过偏斜角变化调适环境敏感度相对较低反射光沿核心向后传播, 降低TMI阈值并引起四波混合等非线性效果从倾斜反射向封装CTFBG泄漏光线,需要在高功率栅栏上加贴合相片脱衣舞者,使标定更难编织,增加过程难度并缩短标定寿命全fibre单振荡器、kW级LD泵放大器和kW级级联纤维放大器使用cerped斜斜格实施图中显示基于多传感器信号的分层纤维放大器输出光谱0、1和2CTFBGs8可见SRS因插入电动倾斜栅格数增加而大为抑制


图8
级联纤维放大器基于多传感器信号
3.2.3光纤传输分析基于泵法

高功率多传感器信号系统常用抽水法为底部抽水并分布式横向抽水底部抽取法中高功率信号光有效传播距离短化(Yb-doped纤维端端端)后向抽取策略,从而大大缩短信号光和Raman光之间的距离并抑制SRS效果分布式横向抽取阈值低于相同纤维尺寸底部抽取值,但这种抽取法导致纤维内更均匀热负载,从而大大减轻纤维内热效果高波质量kW级纤维振荡器和纤维放大器使用分布式横向抽取器也得到了实施。

3.2.4.传输分析基础种子特征自动

2019年,Koushki等[32码调查SRS进化过程 带种子光学功率Yb-dopedi纤维放大器结果表明SRS阈值逆比注入子光学功率然而,由于抽水功率有限,种子光学功率下降会减少输出光电同时,光纤放大器高功率操作时自发辐射放大会降低稳定性研究还显示ASE也可以像拉曼种子光线作用导致拉曼放大,导致SRS阈值下降Lang等[三十三调查拉曼散噪对SRS的种子光效果并给出公式计算拉曼高功率放大器阈值时考虑拉曼播噪时显示当拉曼散噪大于W10-8时,拉曼在高功率放大器拉曼阈值中起重要作用

Shi等[34号显示高功率连续纤维激光中松动可自滑高峰值,这可能触发一系列非线性效果,如当峰值功率达非线性阈值时SRS什叶派认为自脉冲生成大大降低了SRS阈值并主要提高前方Stoks光学功率,因此需要有效策略抑制这些功率常用改善SRS传输性能包括使用带相调频单频种子源、提高FBG振荡级带宽并增加种子与放大级之间的能量传输纤维长度图九九显示相应的模拟结果,显示FBG带宽增能和能量传输纤维延展策略组合可进一步抑制SRS组合两种策略产生高SNR+50dB


图9
对应模拟组合FBG带宽
32.5传输分析四维混合

高功率多传感器信号系统满足相匹配条件时,频率光子ω1和ω2次穿透参数进程制作Stoks和反Stoks频率光子ω3和ω4级四波混合进程称为四波混合进程,即四频以单模纤维处于相同的横向模式中,或模式间四波混合进程(IM-FWM)与不同的跨频模式相对应时。Shatarah等[35码显示正规化阶段不匹配B级发生FWM时改变有效拉曼增益系数 去哪儿辰族L级,辰族S级并辰族a/对应信号传播常量Stoks和Raman光线 小信号拉曼增益系数值参数f级0.18并χ0= 1.38i对应拉曼非线性极化率虚构部分的峰值模拟显示FMW和SRS相联可显著增强SRS(++1.8乘法),因此需要选择带适当散度值的纤维优化SRSB级.

Gorelik等[36号理论分析FWM和IM-FWM对RFL的影响模型通过控件变量法表示FWM引导二阶Stoks光电增强,拉曼阈值下降50%同时,IM-FWM对RFL效应的探索方式是改变LP11模式在种子光线中分权而忽略FWM,结果显示拉曼阈值随着LP11模式分权增加而大幅下降,IM-FWM对拉曼阈值比FWM最小值高10倍3级.FWM通过时间域稳定泵源可有效抑制,IM-FWM则通过引入高阶模式损耗可抑制

系统参数理论优化影响SRS阈值汇总应当指出,一方面多传感器增强技术改变许多重要参数,这些参数往往并发影响SRS,转而决定激光系统的其他特征。因此,在设计系统时,所有因素都应在需求方面加以考虑,提高SRS传输性能不应盲目处理。

4级结论

单链路激光系统增能的主要约束因素之一SRS除通过后向Stoks光线降低系统功率和效率外,还增加系统受损风险此外,最近少数模式纤维中观察到因SRS发生模式退化的新现象。微模纤维SRS新物理特征显示,现有实验结果不完全匹配理论解释并需要进一步调查战略研究提高与梳理SRS相联传输效率可一方面提高现有高能高波束纤维激光系统输出功率反之,通过多传感器对SRS强度动态调整有助于加深对SRS传输特征分析方法的理解通过研究人员的持续努力,开发了各种拉曼增强传输技术,现在划分为两大类:特殊纤维设计技巧和整体系统结构优化多传感器增强技术特殊纤维设计技术显示提高传输特征和高功率应用的极强能力除光栅过滤组件外,系统结构优化基础是各种传感器增强技术(如ASE、自拉素和FWM)对拉曼光线的影响和优化相关参数实现传输特征升级下一步,我们将继续探索SRS传输特征优化物理机制,并结合基于多传感器增强技巧和模式分解技巧的SRS传输技术,研究相应的分析方法还将进行新多传感器增强技术可行性研究,以进一步提高现有高能高波束激光系统提供参考的功率水平。

数据可用性

数据集可应请求访问

利益冲突

作者声明他们没有利益冲突