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得益于光纤布拉格光栅, 二极管激光器更高效、更卓越

来源:国际工业激光商情 发布时间:2025-06-25 66
工业激光激光设备零部件光学材料与元件 技术前沿
德国弗劳恩霍夫激光技术研究所Klein博士团队成功将光纤布拉格光栅(FBG)刻写工艺从单模光纤扩展至多模光纤,通过多次曝光工艺实现3μm级FBG单元首尾无缝衔接。

光纤布拉格光栅(FBG)能大幅降低光纤激光系统的复杂度。若将光栅直接刻写入光纤内部,便可替代外部谐振腔镜,从而省去耗时的镜片校准步骤。这种直接集成方案不仅降低了系统复杂性、减少干扰敏感性并节约成本,还能显著提升激光辐射的卓越性能。

 

克莱因博士固定光纤进行曝光加工

 

光纤集成方案


2019年,在德国联邦教育与研究部(BMBF)资助的EKOLAS项目框架下,弗劳恩霍夫激光技术研究所参与开发了一项已成熟的工艺——将光纤布拉格光栅(FBG)植入光纤内部。该工艺最初针对芯径6微米的单模光纤,后由Laserline协调的项目联盟成功利用超短脉冲激光将光纤布拉格光栅写入芯径100微米的石英光纤:在超短激光脉冲作用下,材料短暂熔化后急速冷却,由此改写了加工区域体材料的光学特性。这一结构基于专门设计的叠加光波干涉图案生成。


仅需一个直径100微米的FBG,即可将传统外置谐振腔镜集成至光纤内部,从而全方位优化多模光纤激光器性能。一位研究所的研究员在其博士课题中进一步改良该工艺,并将其应用于光纤耦合二极管激光器。凭借此项创新研究,她于今年2月荣获巴伐利亚自由州与弗劳恩霍夫协会联合颁发的胡戈•盖格奖第三名,该奖项为年度性学术荣誉。

 

同一理念,全新目标


Klein的研究不仅聚焦于多模光纤激光器,还致力于优化用于泵浦固体激光器的二极管激光器——这彻底改变了技术目标。与光纤激光器不同,在此应用中,光纤布拉格光栅主要用于改善二极管激光辐射的光谱特性。需要说明的是:为使激光活性介质在光泵浦过程中提升能级,必须用特定波长激发该介质,唯有如此介质才能最优吸收辐射能量。


然而二极管激光器会发射宽带辐射。为此,研究者开发出一种创新方案,可针对性压缩带宽并稳定激光辐射波长。该技术的核心仍是直接刻写的光纤布拉格光栅,它能确保大功率二极管激光器仅发射目标波长。得益于这种卓越性能的提升,固体激光器的能量输入效率实现数倍增长,成本效益显著提升——对于成本控制和能源效率日益重要的工业应用而言,这无疑是重大突破。


复杂系统集成


Klein在弗劳恩霍夫协会的内部项目中持续推进这项工艺研发。与EKOLAS项目类似,她的目标仍是在用作二极管激光器波导的多模光纤中刻写光栅。通常激光技术追求微型化,但她的研究却反其道而行之。她需要将原本为6微米芯径开发的超短脉冲工艺,移植到100微米芯径光纤上。技术难点在于细节,既要实现FBG分段的无缝精密对准,又面临严峻的能量管理挑战。若要在更大尺寸的多模光纤上一次性刻写多个光栅,理论上需要倍增能量输入。但这从最初就被证明不可行。


她通过创新性方案攻克了这一难题:采用多次曝光工艺,将数十个仅6微米尺寸的FBG首尾相接排列。实现无缝衔接至关重要。若采用角向芯层几何结构,刻写过程会简单得多。要达到边缘区域的刻写精度要求异常复杂,但为了获得光栅的最大反射率以构建高效光纤激光谐振腔,这种无缝精密工艺是唯一选择。


在将该技术应用于二极管激光器稳频时,她转而重点设计FBG特性,使二极管激光仅发射目标波长。Klein不再追求FBG反射率最大化,而是专门调整FBG参数以优化激光辐射光谱特性——例如针对泵浦应用进行定制化改进。

 

荣膺胡戈•盖格奖


多模激光器领域的光纤布拉格光栅光学设计及其超短脉冲激光直接刻写工艺,此前几乎处于研究空白。这位新晋胡戈•盖格奖得主以其博士论文《用于多模高功率激光二极管与光纤激光器稳频的光纤布拉格光栅》彻底改变了这一局面。Klein对此谈到:“获得这一重要奖项令我倍感荣幸。这证明我将单模光纤激光器的成熟技术方案移植到其他激光光源的思路是正确的。”


除这一权威奖项的认可外,她的研究成果也在研究所内获得全面肯定。弗劳恩霍夫激光技术研究所代理所长Jochen Stollenwerk博士评价道:祝贺Klein博士获此殊荣,该奖项印证了她研究工作的卓越科学价值。基于此项成果,未来多模二极管激光器可省去外部光学元件,从而显著降低系统复杂度、减少装配工时、提升抗故障能力并节约成本。同时,这种实现光束源光谱稳定的新技术将拓展其应用潜力——无论是作为高效泵浦源,还是应用于通信技术、传感技术及工业生产的直接激光材料加工领域。

 

来源:荣格-《国际工业激光商情》

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