1kW单端抽运、高光束质量、高稳定性全光纤激光振荡器

与光纤放大器相比,光纤激光振荡器具有结构紧凑、稳定性好、模式不稳定性阈值高、光束质量优良等优点。对单端抽运的1kW级全光纤激光振荡器进行了详细的理论和实验研究。建立了考虑光纤弯曲、模式耦合、抽运波长变化、包层光滤除的速率方程模型;利用国产合束器,搭建了单端抽运全光纤振荡器,在抽运功率为1.5kW时,获得1.04kW功率输出,光光效率为69%。对不同输出功率的光束质量进行测量,光束质量M2均小于1.25。激光器稳定工作1h,功率起伏小于1%。     

基于20/400μm增益光纤的3 kW近单模全光纤放大器及其长时工作特性

利用波长为976 nm的抽运源对基于纤芯/内包层直径为20/400μm的增益光纤放大器进行双向抽运,通过优化光纤弯曲半径,合理选择抽运方式并优化抽运功率配比,可有效抑制横向模式不稳定效应和受激拉曼散射,获得了输出功率大于3 kW的近单模全光纤放大器。光纤放大器的光-光转换效率约为73%,受激拉曼散射抑制比为20 dB,光束质量因子小于1.7,时/频域上没有出现模式不稳定现象。对该放大器进行10 h的连续测试,结果表明,该激光器性能稳定,有望用于工业加工等领域。     

LD抽运主振荡功率放大结构4.1kW全光纤激光器

利用半导体激光器(LD)抽运大模场增益光纤实现了输出功率大于4kW的主振荡功率放大结构全光纤激光器。实验研究了增益光纤纤芯直径和抽运波长不同情况下激光器的受激拉曼散射(SRS)和横向模式不稳定(TMI)特性。为了抑制SRS,选择纤芯为30μm的大模场掺镱光纤作为增益介质;为了抑制光纤放大器中的TMI,利用增益光纤吸收系数较低波段对应的915nm LD作为抽运源,将增益光纤弯曲半径降低到10cm以提高高阶模的损耗。在种子功率为100 W、最高注入抽运功率为5.3kW时获得了4.1kW的功率输出,光束质量M2为2.2,输出激光中无SRS和TMI现象。     

基于国产光纤的多级级联分布式侧面抽运光纤振荡器实现强拉曼抑制的3 kW量级功率输出

正高功率光纤振荡器因具有结构简单、性能稳定、成本低等优点而备受关注。2017年国防科技大学利用自主研发的分布式侧面耦合包层抽运光纤,实现了多级级联分布式侧面抽运光纤振荡器的3kW量级功率输出,其受激拉曼抑制超过52dB,验证了多级级联分布式抽运方案在拉曼抑制方面的优势。实验结构示意图及实验结果如图1所示,图1(b)插图为分布式侧面耦合包层抽运光纤横截面示意图。     

包层抽运掺镱光纤激光器中受激拉曼散射和受激布里渊散射效应

高功率光纤激光器大多选用掺镱双包层光纤作为增益介质,由于光纤尺寸较小,极易在光纤谐振腔中产生受激布里渊散射、受激拉曼散射效应。包层掺镱双包层光纤激光器中一旦发生受激拉曼散射和受激布里渊散射效应,其产生高强度信号成为高功率光纤激光器的主要噪声来源,影响激光输出的特性和稳定性。对包层抽运掺镱光纤激光器中的受激布里渊散射和受激拉曼散射进行了实验研究,在单模双包层光纤中观察到受激布里渊散射和受激拉曼散射。实验结果表明,在光纤谐振腔中,抽运方式、谐振腔输出镜损耗、受激瑞利散射对受激布里渊散射的影响较大,尤其是受激瑞利散射为谐振腔提供了附加反馈,不仅压窄激光信号的线宽,而且使得受激布里渊散射的阈值迅速降低。     

高功率双包层光纤激光器的受激拉曼散射

受激拉曼散射(SRS)会限制光纤激光器功率的提高。利用光纤激光器的功率传输方程,理论分析了高功率掺Yb3 双包层光纤激光器中的受激拉曼散射效应,得到了纤芯直径、光纤长度、掺杂浓度以及抽运方式对光纤激光器特性的影响。通过分析,得到了增大纤芯直径、减小光纤长度、降低掺杂浓度以及合理的抽运方式可以有效地减小拉曼散射的影响。利用已有的实验结果对理论模型进行了对比,证明了理论模型的正确性。所得的结果对设计实现高功率双包层光纤激光器提供了理论依据。     

国产锥形光纤实现4.2kW近单模窄线宽激光

<正>近年来,高功率窄线宽光纤激光在非线性频率变换、光束合成等领域有广泛的应用需求。受限于非线性效应[受激拉曼散射（SRS）和受激布里渊散射（SBS）]和模式不稳定（TMI）效应等,目前基于常规商用大模场光纤实现了最高5kW级的窄线宽掺镱光纤激光输出。纤芯直径沿光纤纵向变化的锥形光纤逐渐被用于高功率光纤激光器中,在抑制非线性效应、保持光束质量等方面展现了优势。目前,基于锥形光纤实现了最高5kW级的宽谱光纤激光输出。     

输出功率突破3kW的全光纤激光振荡器

<正>全光纤激光振荡器具有结构简单、稳定性好、成本低廉等优点,是目前光纤激光器工业市场中使用较多的一类激光器。2014年,芬兰CoreLase公司推出了输出功率为2kW的全光纤激光振荡器;同年,美国相干公司基于空间结构实现了输出功率为3kW的全光纤激光振荡器;2015年和2016年,国防科技大学基于单端和双端抽运方案分别实现了输出功率为2kW和2.5kW的全光纤激光振荡器。由于受热效应、非线性效应和模式不     

基于915nm半导体激光单端前向抽运的单纤准单模2kW全光纤激光振荡器

设计了一种基于915nm半导体激光单端抽运的单纤准单模全光纤激光振荡器,其工作波长为1080nm,输出功率可达2.02kW。结合理论和实验,研究了增益光纤长度、受激拉曼散射(SRS)和输出功率之间的关系。通过对增益光纤长度进行优化,在保证大于2kW激光功率的前提下,实现了高SRS抑制比的激光输出,输出激光中SRS功率占比约为0.8%。180min内激光器的功率不稳定度小于±1%,光-光转换效率约为70%。通过合理设计光纤盘绕,有效抑制了光纤中光的高阶模式,在满功率输出时成功地获得了准单模激光(光束质量因子M2≈1.5),并对该激光器在激光切割中的应用进行了研究。     

基于国产光纤的多级级联分布式侧面抽运光纤振荡器实现2kW的功率输出

<正>高功率光纤振荡器因性能稳定、便携性好、成本低等优点,受到广泛关注。2016年,国防科学技术大学利用自主研发的分布式侧面耦合包层抽运光纤,实现了多级级联分布式侧面抽运光纤振荡器2kW量级的功率输出,并通过引入末级反向抽运方案,实现了对输出端残余抽运光的良好抑制。实验装置示意图如图1(a)所示。该激光器为一个全光纤振荡器,振荡器增益光纤由三段长度分别为10,10,5m的分布式侧面耦合包层抽运光纤级联而成,信号纤芯、信号光纤内包层、抽运光纤的直径分别为25,250,250μm。振荡器采用末级     

国产25/400 μm掺镱光纤实现3.2 kW激光输出

利用改进的化学气相沉积工艺结合溶液掺杂技术制备了高光束质量的25/400 m双包层掺镱光纤。石英纤芯的掺杂组分为Yb2O3、Al2O3、P2O5,Al2O3有助于降低Yb3+团簇,增加Yb3+掺杂浓度,P2O5起到降低光子暗化效应的作用。纤芯-包层折射率差为0.001 2,纤芯的数值孔径为0.06。976 nm波长处的包层吸收系数为2.1 dB/m。构建双向抽运方式的主控振荡器功率放大器结构对增益光纤性能进行测试。实验中,1 080 nm种子光功率为235 W,在抽运光总功率为3 706 W时,实现了最大功率3 243 W激光输出,斜效率为81.1%,光束质量因子为1.7,未发生受激拉曼散射现象。光纤激光器连续工作1 h,输出功率未见明显变化。采用相同测试方法及平台对25/400 m型号的进口光纤进行测试,对比实验结果表明:实验中制备的双包层掺镱光纤主要性能指标已接近进口光纤。     

基于国产光栅的全光纤振荡器输出功率突破5.2kW

正高功率光纤振荡器的结构简单、稳定性好,在工业加工领域有着广泛的应用。2014年以来,全光纤振荡器的输出功率从2 kW迅速提升到4 kW以上。2017年8月,日本滕仓公司报道了输出功率为4 kW的全光纤振荡器。2017年7月,国防科技大学利用全国产且纤芯、内包层直径分别为25μm和400μm的大模场光纤光栅,采用单端抽运方式实现了输出功率大于2.7 kW的全光纤振荡器。2018年1月,国防科技大学基于该光纤光栅,并采用双端抽     

5 kW窄线宽全纤化单模光纤放大器

正光谱合成、相干合成等光束合成技术是目前突破单纤功率限制、提升光纤激光输出功率的有效途径,其中高光束质量、高功率窄线宽光纤激光作为合成的子束一直是国内外研究的热点。目前,窄线宽光纤激光器输出功率的提升受限于受激布里渊散射(SBS)、受激拉曼散射(SRS)和模式不稳定性(MI)等非线性效应,5 kW以上的近衍射极限窄线宽光纤激光的输出在国内尚未有报道。2020年12月,     

基于国产25/400μm光栅的2.7kW全光纤激光振荡器

正高功率光纤激光振荡器具有结构简单、稳定性好、成本低廉等优点,在工业加工、材料处理等领域有着广阔的应用前景。目前报道的2kW以上单纤全光纤激光输出大多采用放大器实现。2014年,芬兰CoreLase公司推出了2kW的全光纤激光振荡器产品;同年,美国相干公司基于空间结构实现了3kW的光纤激光振荡器;国防科技大学于2015年和2017年分别基于单端和双端抽运方案实现了2kW和3kW的全光纤激     

单模光纤中受激布里渊散射的抑制

单模光纤长度上人为产生的周期性残余应变，可以抑制受激布里渊散射。本文介绍了利用ＩＩＰＲＳ使布里渊阈值提高了３ｄＢ的石英纤芯，掺氟包层光纤。     

LD泵浦高亮度光纤激光器:设计、仿真与实现(特邀)EI北大核心CSCD

LD泵浦掺镱光纤激光器具有低成本、高效率、高光束质量等优点,在工业、科研、国防等领域有着广泛的应用。在大部分实际应用中,由功率和光束质量决定的亮度是影响光纤激光器实际作用性能的核心指标。受到非线性效应(尤其是受激拉曼散射)和模式不稳定效应的限制,当前高亮度掺镱光纤激光器输出功率提升遭遇了明显的技术瓶颈。为了抑制非线性效应和模式不稳定效应,在传统方法的基础上,提出了变纤芯直径光纤和优化泵浦波长等成体系的方法以提升光纤激光器的输出功率;为了有效提高对光纤激光器的设计研发能力,提出并开发了具有自主知识产权的光纤激光仿真软件SeeFiberLaser。首先,介绍了影响宽谱高功率掺镱光纤激光器亮度提升的主要限制因素,给出了各个限制因素的抑制方法;其次,利用自研光纤激光仿真软件SeeFiberLaser对提升光纤激光器功率的方法进行优化设计,并对工业常用的振荡器和高亮度光纤激光放大器进行仿真优化;然后,介绍课题组采用后向泵浦、变纤芯直径光纤和优化泵浦波长等方法提升激光功率,实现的6~10 kW高亮度功率光纤激光器;最后,对更高亮度光纤激光器的技术方案进行讨论和展望,提出了无源器件集成化、增益传能光纤一体化等思路,提出了基于变纤芯直径增益传能一体化光纤和集成化无源器件的新型高功率近单模光纤激光器技术方案。     

全国产单纤激光系统获得10.6 kW激光输出

正高功率光纤激光系统在工业、军事等领域有着重要的应用。如何提高单纤激光系统的输出功率一直是研究的热点。目前,受激光二极管(LD)抽运光源亮度和光纤材料水平的限制,尚未见利用单端注入976nm直接抽运的单纤系统或者国产光纤系统实现10kW级功率输出的报道。近期,中国工程物理研究院激光聚变研究中心自主设计了一种新结构的976nm直接单端抽运的单纤激光系统,有效解决了上述问题,采用全国产光纤材     

光纤激光器受激布里渊散射的建模与求解

从理论上分析了高功率双包层光纤激光器的受激布里渊散射效应,建立了考虑受激布里渊散射的光纤激光器速率方程,并采用打靶法对其求解,对数值求解算法进行了详尽的描述。通过比较不同的纤芯直径、光纤长度以及掺杂浓度的情况下输出激光功率极限值的不同,发现增大纤芯直径、减小光纤长度以及降低掺杂浓度可以有效地减少受激布里渊散射的影响。     

抽运饱和及信道间受激拉曼散射效应对反向抽运分布式光纤拉曼放大器增益谱的影响

在宽带密集波分复用 (DWDM )系统中 ,后向抽运分布式光纤拉曼放大器 (B DFRA)会引入在小信号条件下无需考虑的两种效应 :抽运饱和效应 (PS)使拉曼增益减小 ;拉曼放大使信道间受激拉曼散射 (SRS)效应增强 ,产生附加拉曼倾斜效应 (ART)。将后向抽运分布式光纤拉曼放大器的增益谱分解为拉曼抽运的放大作用和信道间受激拉曼散射效应产生的倾斜作用 ,通过对各种工作条件下实际后向抽运分布式光纤拉曼放大器增益谱的优化计算 ,研究了抽运饱和效应和附加拉曼倾斜效应对后向抽运分布式光纤拉曼放大器增益谱的影响。计算发现抽运饱和效应取决于信道输出功率 ,附加拉曼倾斜效应由信道输入功率和输出功率共同决定 ,进而通过抽运饱和效应和附加拉曼倾斜效应的大小可以将后向抽运分布式光纤拉曼放大器的工作条件划分为三个区域 ,并讨论了不同工作条件下后向抽运分布式光纤拉曼放大器的简化分析方法     

单频大功率光纤放大器中抑制受激布里渊散射的理论分析

对单频大功率光纤放大器中的受激布里渊散射(SBS)抑制问题进行了分析和模拟。建立了双包层光纤放大器的含有受激布里渊散射效应的传输方程组,并考虑了温度差对受激布里渊增益系数的影响。通过数值求解方程组研究了前向、后向和双向抽运方式下,抽运功率、对流系数、光纤长度和斯托克斯频率偏移对受激布里渊散射增益的影响。在抽运功率、对流系数和光纤长度均相同的条件下,后向抽运方式的受激布里渊增益最小;对流系数或光纤长度的减少会降低受激布里渊增益。计算了总抽运功率为1kW,三段抽运方式下的受激布里渊增益,其结果远远大于增益阈值。因此,设计单频大功率光纤放大器宜采用后向抽运方式,尽量减小光纤外表面空气的对流速度以增加温度差,同时应该尽量缩短光纤长度。