高功率光纤激光器包层光滤除器的温度场研究

双包层光纤激光器输出光中的包层光严重影响了激光的光束质量、光谱特性以及激光器的可靠性和稳定性,有效滤除包层光是双包层光纤激光器工程化的一个重要环节。对高功率包层光滤除器的热效应进行了理论与实验研究,利用ANSYS中流体动力学模块仿真分析了高功率包层光滤除器的温度场分布,在15~600 W的包层光滤除功率下进行了实验验证,在此基础上仿真优化了千瓦量级功率的包层光滤除器。优化后滤除器温度下降近46℃,可稳定工作在80℃左右。     

光纤激光器中包层光滤除器的研究进展

包层光滤除器对高功率光纤激光器系统的作用非常重要,影响着输出激光的光束质量和单色性,包层光滤除器是光纤激光器产品化的核心元器件。本文简述了光纤激光器包层光滤除器的工作原理,总结了几种包层光滤除器的结构和工作性能,分析了其优缺点,对包层光滤除器的研究方向具有一定的指导意义。     

双包层光纤激光器中包层光的滤除

双包层光纤激光器的输出性能及稳定性与包层光的滤除程度有关。光纤激光器输出光中的剩余抽运光不仅会影响到输出光的单色性,还会对输出设备造成损害,甚至破坏光学器件。通常在内包层外涂一种高折射的导光胶来滤除包层光,但此方法使包层光在较短的长度内被大量地滤除,导致热沉上功率密度较高,给散热带来较大的压力。实验中采用3种不同折射率的导光胶,分步滤除包层光,减小局部温度过高。采用Zemax和Matlab软件研究了此滤除方式的特点,搭建了验证实验系统。实验结果表明,输出激光中的包层光已被滤除,滤除效果可达到20 dB,且热量分布均匀,不会引起局部温度过高。     

大模场双包层光纤熔接的功率对准技术研究

为了提高高功率光纤激光器中大模场双包层光纤的熔接质量,采用NUFERN 20/400μm双包层光纤搭建了光功率对准系统,对大模场双包层光纤中存在包层光以及纤芯中只有基模和存在高阶模时光纤径向偏移与耦合效率的关系进行了理论分析和实验验证。结果表明,大模场双包层光纤中包层光和纤芯中高阶模的存在使耦合效率对径向偏移变化的敏感度降低,滤除包层光和高阶模后耦合效率随光纤径向偏移量呈高斯型变化; 使用光功率对准系统搭建千瓦级双端抽运激光系统,最大输出功率约1170W,光光转换效率约73%,光束质量约1.22,实现了千瓦级准单模输出。光功率对准技术能够实现待熔光纤的精确对准,对高功率光纤激光器输出性能的提升有重要意义。     

基于相变材料冷却的光纤包层光滤除器的设计

针对高功率光纤激光器在空间等特殊环境下无水冷却的热管理要求,设计并研制了一种基于相变材料的高功率光纤包层光滤除器。采用正十八烷作为相变材料吸收包层光滤除器的产热,利用Ansys的Fluent模块仿真分析相变材料的相变过程及200 W下滤除器温度分布特性,实验采用0.246kg质量分数为99%的正十八烷对200W级滤除器进行热管理,在室温为25.6℃、滤除的包层光为206 W的情况下,该滤除器可稳定、安全工作360s。实验结果和仿真结果基本吻合。     

水柱导引抽运光纤激光器端面热效应分析

为了解决大功率光纤激光器严重的端面热效应问题,采用水柱导引抽运光的抽运新方法。在该抽运形式中,抽运光被耦合进由喷嘴喷出的高速水柱中,水柱以波导形式导引抽运光进入光纤。对普通端面抽运和水柱导引抽运两种抽运形式的双包层光纤激光器的抽运端的热效应进行了理论计算和分析比较,抽运功率为800W时,光纤端面温度从普通端面抽运时的250℃下降到30℃,基本接近环境温度,光纤侧面的温度也大大地降低。结果表明,水柱导引抽运冷却效果显著,特别是光纤的抽运端得到了很好的冷却,可有效地解决大功率光纤激光器的端面热损伤问题。     

水柱导引抽运光纤激光器端面热效应分析

为了解决大功率光纤激光器严重的端面热效应问题,采用水柱导引抽运光的抽运新方法.在该抽运形式中,抽运光被耦合进由喷嘴喷出的高速水柱中,水柱以波导形式导引抽运光进入光纤.对普通端面抽运和水柱导引抽运两种抽运形式的双包层光纤激光器的抽运端的热效应进行了理论计算和分析比较,抽运功率为800W时,光纤端面温度从普通端面抽运时的250℃下降到30℃,基本接近环境温度,光纤侧面的温度也大大地降低.结果表明,水柱导引抽运冷却效果显著,特别是光纤的抽运端得到了很好的冷却,可有效地解决大功率光纤激光器的端面热损伤问题.     

大功率双包层光纤激光器的非线性和热效应

文章综述了大功率情况下双包层光纤激光器中的非线性和热效应。在较低功率的激 光输出时,光纤内的非线性和热效应对激光输出特性的影响很小,但在高功率的掺Yb3 +双包层光纤激光器中,特别是功率达到千瓦量级时,非线性和热效应已经成为限制功率提升的主要因素。通过增大包层光纤芯径、缩短光纤长度都可以增加非线性阈值,从而可以保证单根光纤信号功率增大时不会出现非线性效应。采用分布式泵浦方案,能够得到沿光纤长度上最低和最均匀的温度分布,并且使激光器有最大的输出功率。     

196W功率输出的高功率包层泵浦光纤激光器

文章首先阐述了包层泵浦技术以及基于包层泵浦技术的包层泵浦激光器,同时还介绍了一种新型泵浦技术,即从大面积激光二极管向小截面的单模光纤芯层传输能量的侧面泵浦技术。然后介绍了我们试验中的大功率包层泵浦光纤激光器,该激光器采用的是端面泵浦技术。当泵浦功率为240W时,光纤激光器在1．09μm处产生了高质量的196W连续波长输出,获得了85％的斜坡效率。     

光纤包层中的弱光探测技术

设计了一种用于探测光纤激光器系统中有源光纤中残余的弱泵浦光的方法。采用两种光纤探针对剥离涂覆层的有源光纤以及保留涂覆层的光纤进行了包层泄漏光的测试,优选出锥形探针作为弱光探测的光纤探针,并用该探针测得泄漏光与包层残余泵浦光的功率关系,发现二者呈线性关系并有对应的比例系数。通过该光纤探针的方法可实现快速确定有源光纤在激光器中的使用最佳长度,避免传统方法中对有源光纤进行多次切割、熔接再测试等操作,极大地提高了测试效率并降低了测试成本。试验同时发现,光纤探针在剥离涂覆层光纤上的探测效果优于未剥离涂覆层的光纤探测效果。     

高功率双包层光纤激光器温度分布的有限元分析

高功率双包层光纤激光器的热效应严重制约光纤激光器的输出功率和光束质量。首先通过求解热传导方程得到简化情况下的温度解析解;然后，利用有限元方法对不同情况下的温度分布进行模拟计算。通过模拟计算得到：外包层聚合物材料的热传导系数对光纤的温度分布影响较小，因而在近似计算时可以认为纤芯及内、外包层热传导系数相等;外包层表面的对流换热系数对温度分布影响较大，增大对流换热系数，可以有效地降低光纤激光器的热效应;外包层光纤半径的大小对光纤激光器的温度分布也有影响。所得的结果为设计实现千瓦级光纤激光器提供了参考。     

基于倾斜光纤光栅的温度不敏感振动传感器

提出了一种基于倾斜光纤光栅与多模光纤相结合的温度不敏感振动传感器,其振动传感头是在倾斜光纤光栅与单模光纤之间加入一小段多模光纤所组成。倾斜光纤光栅的反射光谱有布拉格模和包层模两部分组成,其中多模光纤的作用是将倾斜光纤光栅反射包层模耦合到单模光纤的基模。倾斜光纤光栅包层模对外界振动很敏感,通过传感器的包层模平均输出功率完成对外界振动物理量测量。由于采用强度解调的方式,可以大大降低传感器装置的复杂性。实验表明：当传感器温度从20 ℃上升到70 ℃时,传感器的输出平均光功率均方根误差为0.01 μW,其反射光谱平均输出功率影响很小,故可以避免外界温度对测量结果的影响。     

基于单侧几何形变结构的全光纤Michelson干涉高温传感器

利用CO2激光脉冲对标准单模光纤(SMF)单向形成较小的几何形变,把部分基模能量耦合到光纤包层,制作了一种新型的在线型Michelson干涉传感器。理论分析了这种几何微扰激发的包层模特性,并利用芯模-包层模较大的热光系数差,把这种传感器应用于高温测量。实验结果表明,这种干涉传感器的温度灵敏度为0.093 7nm/℃,并且在800℃温度范围内具有良好的线性和重复性。这种制作简单、结构稳定、体积小和灵敏度高的全光纤在线型Michelson温度传感器将具有较大的潜在应用价值。     

1080nm,80W连续光纤激光器的小型化

为了得到1080 nm的小型化、高功率、连续型光纤激光器,以915 nm的半导体激光二极管(LD)作为泵浦源,由2个光纤光栅构成谐振腔;以12m掺镱双包层光纤作为增益介质,结合合束器、剥模器、准直器等光纤器件搭建了全光纤结构的激光器系统.当泵浦功率达到118 W时,实验得到了功率为80 W、光光转换效率为68％的连续且稳定的激光输出.将激光器系统组装到自行设计的紧凑型长方体铝制外壳内,光纤激光器总重量小于1.8 kg,体积为200 mm×160 mmx40 mm,能够稳定工作在-40～50℃环境下.     

976 nm高效率半导体激光器

976 nm高效率半导体激光器是这几年研究的热点,在固体激光器泵浦领域有广阔的应用。通过优化半导体激光器材料外延结构中包覆层和波导层的铝组分,降低了工作电压;通过采用微通道水冷系统,并进行优化降低了热阻,从而提高了室温下的电光转换效率。25℃室温连续测试条件下,1 cm的线阵列(巴条),2 mm腔长,50%填充因子,在110 A下,出光功率为114.2 W,电压为1.46 V,电光转换效率为71%。15条微通道封装成的垂直叠阵,进行光束整形后,获得了室温976 nm连续输出功率1 500 W,电光转换效率大于70%。     

高功率密度光纤激光元器件传输特性测试系统

为了提高高功率密度下光纤激光元器件传输特性测量精度,采用基于光纤标准测试方法的双光路测量结构,设计了自动光功率比测量系统。对双光路系统的特点进行了理论分析和实验验证。利用固体微晶片激光器作为光源输出,建立了折射率匹配法传输特性测试仪实验装置,对掺镱双包层光纤的传输损耗特性进行了测量。实验中测得35m长掺镱双包层光纤对1064nm光的插入损耗为2.645dB,测得100组数据对应的标准偏差为0.026dB。并在不同的条件下进行了多次重复实验,重复测量误差不超过0.07dB。这一结果对于提高光纤激光元器件测试精度是有帮助的。