10 kW级表层掺杂板条激光放大器研究

报道了一种在室温下运转的高功率Yb∶YAG表层掺杂板条激光放大器,该放大器基于主振荡功率放大结构(MOPA),以光纤激光器作为种子源,种子光经预放大器放大后,再进入表层掺杂板条中进行功率放大。建立了放大器增益模块的提取功率和提取效率的理论模型,并进行了实验研究。放大器在3.5 kW的1030 nm信号光注入和22.4 kW的940 nm激光二极管抽运条件下,输出激光功率10.6 kW,从单增益模块中提取功率7.1 kW,提取效率达到31.7%,实验结果和理论计算结果基本相符。同时对板条的透射波前进行了测量,PV=1.6μm。     

5kW Nd:YAG端面抽运板条激光器及其光束质量提升

理论分析了影响二极管端面抽运Nd:YAG板条激光放大器放大效率的因素,设计了主振荡功率放大板条连续激光器。使用1064nm窄线宽光纤激光器作为种子源,采用两个Nd:YAG板条激光放大器先串接再双程放大的技术路线。两个Nd:YAG板条激光放大器的尺寸结构完全相同,Nd:YAG板条的尺寸均为150.2 mm×2.5mm×30mm,每个板条都是半导体激光器阵列双端抽运。放大器抽运源总功率为21.6kW时,实现了5.4kW连续激光的输出,光-光转换效率为24.8%,光束质量β为3.5。在输出光路位置使用狭缝空间滤波器,光束质量β可以提升到2.5。     

输出功率11kW的高功率固体板条激光器介质热分析

为研制高功率的板条功率放大模块,对Nd∶YAG板条激光器的增益介质的热结构进行了研究。采用有限元方法仿真了高功率激光二极管阵列端面抽运Nd∶YAG板条介质的温度、应力分布,数值模型考虑了抽运光在介质内的不均匀分布。结果表明,板条介质掺杂和未掺杂结合部位温度和应力最高,是整个板条介质的薄弱环节,应优化设计避免板条破裂。以此为参考设计高功率放大模块,而后搭建激光放大链路,种子光功率2.5 W,通过一级预放模块四程放大后,再经过四级功放模块双程放大,实现了11 kW激光输出。实验中测量了高功率抽运条件下增益介质的温度分布,与数值仿真结果基本符合。     

Yb∶YAG陶瓷强化Cr,Yb∶YAG自调Q微片激光器性能研究

报道了通过键合Yb∶YAG激光陶瓷来强化Cr,Yb∶YAG自调Q微片激光器激光性能的研究结果。实现了Yb∶YAG/Cr,Yb∶YAG自调Q微片激光器的激光输出。当吸收抽运功率为7.1W时获得了0.53W的自调Q激光输出,对应的光-光转换效率为7.5%。在实验中获得了脉冲能量大于25μJ、脉冲宽度小于3ns、峰值功率高达9kW的自调Q激光脉冲输出。同时研究了输出耦合镜透射率对Yb∶YAG/Cr,Yb∶YAG自调Q微片激光器激光性能的影响。     

Yb:YAG陶瓷平面波导1030nm激光放大

将非水基流延成型和真空烧结技术制备的YAG/Yb:YAG/YAG平面波导陶瓷作为激光放大器的增益介质,研究其激光放大特性。种子源为1030 nm保偏光纤激光器,放大器的抽运源为940 nm半导体激光器阵列,抽运光经过耦合后从端面进入平面波导。对比了前端抽运和后端抽运的放大性能,测试了双端抽运的激光放大输出性能。在双端抽运下,当注入种子光的功率为136 W时,获得了功率为1.41 kW的激光输出,斜率效率达到41%。这是已报道的该类陶瓷平面波导达到的较高功率激光输出。     

百纳秒脉宽单频大能量1064 nm激光器

报道了基于光纤-固体混合放大的百纳秒脉冲宽度单频大能量1064 nm激光光源的研究工作。采用1064 nm分布反馈(DFB)半导体激光器作为单频连续种子光光源,采用声光调制器将种子光整形为脉冲宽度约为149.0 ns的洛伦兹波形脉冲光,重复频率为60 Hz,经过级联的全保偏光纤放大器放大后,获得单脉冲能量约为2.1μJ、脉冲宽度约为216.7 ns的脉冲光输出。固体放大部分采用激光二极管(LD)端面抽运的Nd∶YVO₄晶体作为高增益的前放大器进行双程放大,采用LD单侧面抽运的Nd∶YAG板条晶体作为预放大器进行双程放大,采用两级LD双侧面抽运的Nd∶YAG板条晶体作为功率放大器,最终获得了单脉冲能量为151.4 mJ、脉冲宽度约为267.8 ns的激光输出。采用光学外差法对输出脉冲激光的线宽进行了测试,线宽约为14.2 MHz。研究结果为星载相干测风激光雷达采用1.06μm的激光光源提供了新的技术路线。     

端面泵浦Yb∶YAG表层掺杂陶瓷板条激光器

报道了一种激光二极管端面抽运的Yb∶YAG表层掺杂陶瓷板条激光器,研究了其激光输出特性。建立了Yb∶YAG陶瓷表层掺杂板条激光输出模型,理论分析了Yb∶YAG陶瓷板条的输出能力。在谐振腔实验中,采用2 Hz低重频、抽运脉宽为1 ms的激光进行双端端面抽运。单脉冲总能量达到10 J时,获得了3.035 J的单脉冲激光输出,其光光转换效率为30.4%,最大斜率效率为42.0%。     

激光二极管双端双程抽运Yb∶YAG板条激光器

报道了一种激光二极管阵列双端双程抽运Yb∶YAG板条激光器。基于抽运光在晶体中的吸收特性,建立双端双程抽运与双端单程抽运结构的抽运分布模型,理论分析了双端双程抽运的优点。在抽运光重复频率为400 Hz、脉宽为1 ms、单脉冲总能量为12 J的条件下,利用偏振复用技术实现双端双程抽运板条激光器,获得单脉冲激光的输出能量约为6.13 J,光-光转化效率约为50%。与具有相同掺杂浓度以及相同抽运光吸收效率的双端单程抽运方式相比,双端双程抽运的输出激光能量更高,转化效率更高,稳定性更强。理论分析与实验结果证明双端双程抽运方式有利于进一步提升激光输出的能量与效率。     

Yb∶YAG板条高亮度均匀泵浦耦合技术研究

针对Yb∶YAG板条增益模块的特性,开展了高亮度均匀泵浦耦合系统的设计与实验研究。通过理论计算发现泵浦的功率密度与Yb∶YAG的激光提取效率有关。为提高泵浦亮度,采用空间/偏振复合拼接方式实现将4个LD进行合束。实验获得合束后激光二极管的总功率为25 kW,合束效率约为90 %。证明的该结构有效的解决目前Yb∶YAG板条激光晶体因泵浦功率低下而导致的功率和效率下降的问题。     

LD泵浦Yb∶YAG固体激光器研究进展

Yb3+离子掺杂YAG晶体(Yb∶YAG)作为一种性能优良的激光晶体已广泛应用于高效、 高功率激光领域,在光纤温度传感器、激光切割钻孔以及军用领域都具有重要的应用价值。本文分析了Yb∶YAG作为激光增益介质的优势,对近年来国内外激光二极管泵浦Yb∶YAG激光器的研究进展进行了总结,分别介绍了Yb∶YAG透明陶瓷激光器、掺镱光纤激光器,可调谐Yb∶YAG激光器、Yb∶YAG薄片激光器以及双波长Yb∶YAG激光器的最新研究情况,并对其发展前景进行了展望。     

高功率Yb:YAG薄片激光器连续和腔倒空实验研究

研究了高功率Yb:YAG薄片激光器连续及腔倒空调Q输出性能。基于平面波理论,建立Yb:YAG准三能级激光连续运转模型,对薄片激光器的晶体掺杂和抽运结构进行优化。通过优化实验方案,研究半导体激光器抽运Yb:YAG薄片激光器连续输出性能,在抽运功率为199 W时,获得功率为100 W的1030nm激光输出,光-光转换效率为50.2%,斜率效率为56.8%。利用RTP电光调Q开光,搭建Yb:YAG电光腔倒空激光器,研究1030nm脉冲输出性能,获得了脉冲宽度为20.2ns的高重复频率1030nm脉冲激光,脉冲重复频率为10~100kHz,当重复频率为10kHz时,1030nm激光的最大峰值功率达到109.8kW。     

激光二极管抽运的高光束质量的Yb∶YAG薄片激光器

演示了激光二极管(LD)端面抽运Yb∶YAG薄片固体激光器,抽运源是美国相干公司(COHERENT)光纤耦合输出半导体激光器,光纤输出芯径为800μm,在940nm处最大输出功率为1356W,由于光纤输出芯径较大,不利于抽运光和振荡光的模式匹配,为了得到较小的抽运光斑,采用了焦距比为30∶12的耦合透镜组压缩入射到晶体端面的抽运光光腰半径,晶体为原子掺杂浓度8at.%,几何尺寸为7mm×16mm国产Yb∶YAG晶体,整个实验装置采用温差电致冷(TEC)和循环水冷却方式,实验中得到了306W的连续激光输出,激光器的斜率效率为331%,测得M2因子在x和y方向分别为154和173,具有良好的光束质量。     

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。     

激光二极管端面泵浦Nd∶YVO4混合腔板条激光放大器

选用光束质量接近衍射极限的种子激光器作为主振荡级激光器的功率放大系统可以同时获得较高的输出功率和良好的光束质量。由于板条晶体的特有尺寸,使得种子激光可以多次通过板条晶体,因此有利于实现高提取效率的激光放大器。Nd∶YVO4晶体因为具有比Nd∶YAG更大的受激发射截面和吸收截面、更宽的吸收谱线、输出偏振光等,因而在放大器中应用较多。本文采用侧泵Nd∶YAG棒激光器作为LD端面泵浦Nd∶YVO4混合腔板条激光放大器的种子激光器,种子激光通过整形后,往返3次通过激光晶体实现了功率的放大。实验中在泵浦功率140.9 W,种子功率3.2 W,重复频率20 kHz时,获得了29.5 W的激光输出,提取效率为21.2%,斜效率为35%。     

激光二极管抽运的高光束质量的Yb

演示了激光二极管(LD)端面抽运Yb∶YAG薄片固体激光器,抽运源是美国相干公司(COHERENT)光纤耦合输出半导体激光器,光纤输出芯径为800 μm,在940 nm处最大输出功率为13.56 W,由于光纤输出芯径较大,不利于抽运光和振荡光的模式匹配,为了得到较小的抽运光斑,采用了焦距比为30∶12的耦合透镜组压缩入射到晶体端面的抽运光光腰半径,晶体为原子掺杂浓度8 at.-%,几何尺寸为φ7 mm×1.6 mm国产Yb∶YAG晶体,整个实验装置采用温差电致冷(TEC)和循环水冷却方式,实验中得到了3.06 W的连续激光输出,激光器的斜率效率为33.1%,测得M2因子在x和y方向分别为1.54和1.73,具有良好的光束质量。     

Nd∶YAG板条激光增益模块真空焊接工艺研究

传导冷却型Nd∶YAG板条激光放大器通常要把大尺寸晶体与微通道热沉焊接在一起,提高散热能力。为获得高光束质量的激光输出,要求焊面的空洞率越低越好,以降低Nd∶YAG板条激光增益模块在工作时产生的热畸变,本文提出了一种实现Nd∶YAG板条激光增益模块大面积无空洞焊接的工艺。在真空辐射加热条件下,使用精密行程控制系统调整热沉和Nd∶YAG板条激光增益介质之间焊接缝隙大小。通过对模拟件超声波扫描图的对比分析,使用精密行程控制系统调整焊接缝隙大小的焊接设计实现了大面积低空洞的连接,有效焊接面积达到98.9%。利用该工艺封装的增益模块进行了激光实验,在11kW泵浦光注入情况下,模块动态波前畸变减小了22%,表明新的焊接工艺可以提高Nd∶YAG板条激光增益模块的输出激光功率和光束质量。     

LD边抽运Yb∶YAG激光器性能的数值计算

以准三能级固体激光理论为基础,用数值方法研究了LD边抽运Yb∶YAG板条激光器的激光输出特性、温度效应、光学畸变和摩尔分数优化等性能。计算表明,Yb∶YAG可实现 100kW的激光输出,板条的尺寸在 130mm×60mm×3mm左右,Yb3 的摩尔分数小于 1%。从晶体的生长的角度看,生长出满足 130mm×60mm×3mm晶体元件加工需求的Yb∶YAG晶体是可行的。所以,Yb∶YAG是未来激光战术武器中的候选材料。     

基于固体激光器的光纤型MOPA的研究

报道了以Cr4 :YAG被动调Q固体激光器为主振荡级的光纤型主振荡功率放大器(MOPA),主振荡级通过SMA-905接头实现光纤耦合输出,选用975 nm的半导体光纤耦合模块作为抽运源,通过多模光纤合束嚣和锥度光纤将抽运光和信号光耦合进掺Yb3 双包层光纤,利用包层抽运技术,使主振荡器的脉冲种子源在掺Yb3 双包层光纤得到增益放大.当主振荡器的重复频率为20 kHz,双包层光纤的抽运光入纤功率为6.9 W时,放大器输出的光脉冲平均功率为0.598 W,整个装置实现了全光纤连接.     

双包层Yb/Er共掺光纤激光器的特性研究

对980nm抽运的双包层Yb/Er共掺光纤激光器进行了数值模拟,分析了稳态情况下光纤中上能级粒子数,抽运光功率,信号光功率沿光纤轴向的分布.计算了激光器输出功率与光纤长度的关系,激光器输出腔镜反射率与输出功率的关系.根据数值模拟的结果,采用4m长的铒镱共掺双包层光纤作为增益介质,反射率为15%的双包层光纤光栅作输出腔镜组建了全光纤激光器,其斜率效率为40%.在3.4W的最大抽运功率下,得到了1.25W的激光输出,输出光谱宽度为0.49nm.     

高功率光纤激光器反向光放大和损伤特性数值分析

利用速率方程模型对主振荡?功率放大器结构的1 μm波段掺镱（Yb）高功率光纤激光器中存在连续波反向信号光时的功率特性进行了理论分析,结果显示反向信号光功率会被高功率激光放大器所明显放大,10 kW级的光纤激光器中,100 W的反向信号经过放大器后功率会被放大至kW量级;与此同时,反向信号放大过程对反转粒子数的消耗会导致激光器的正向输出功率的严重下降。另外,反向信号放大也会导致放大器输出端的激光功率过强,加剧泵浦吸收和受激发射过程,增加该处的热负载、导致温度大幅上升100 ℃以上,对稳定性产生潜在影响。反向信号导致振荡器提供的正向种子光功率波动和下降时,正向信号不能充分饱和有源光纤中的增益,会进一步加强反向信号在主放大级中的放大作用,进而对系统造成更严重的影响。提高正向种子光功率、增强正向信号对激光增益的饱和作用,有助于抑制反向信号的放大过程,但需综合考虑种子源稳定性、热负载、热致模式不稳定和受激拉曼散射等因素合理选择种子光功率。