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。     

分布式侧面耦合包层抽运光纤激光器数值模拟

研究了新型分布式侧面耦合包层抽运光纤激光器的特性。通过建立相互耦合的速率方程组,对分布式侧面耦合包层抽运光纤激光器进行了数值仿真。通过数值模拟与端面抽运双包层激光器进行对比,分别得到了两种模型的抽运光光场分布和输出激光分布,以及探讨了最佳光纤长度等激光器特性参数。结果显示,分布式侧面耦合包层抽运光纤的信号光纤中抽运光分布比较均匀,两端的热负荷较小,激光产生的线性度很好,热量能够分散到整根光纤,在高功率激光器的应用中具有较大的优势,这为更大功率光纤激光器的实现提供了新的思路。     

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.     

一种用于高功率光纤放大器的侧面抽运耦合器

报道了一种应用于高功率光纤放大器的侧面抽运耦合器。采用熔融拉锥工艺以及最基本的2×1耦合方式, 实现了高耦合效率、高隔离度的光纤侧面耦合器的研制。通过对多种不同光纤组合的研究, 发现采用外径125 μm, 数值孔径为0.46的无源双包层光纤做信号传输光纤和抽运耦合光纤, 可获得高达74％的抽运耦合效率; 耦合器信号光通过率为95％; 信号输入端与抽运输入端的隔离度大于50 dB; 抽运输入端对输出端反向传输光的隔离度 为20 dB。采用该侧面耦合器, 实现了输出功率达1 W的窄线宽全光纤放大器。     

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%。     

高功率光纤激光器抽运耦合技术的现状和发展

抽运耦合技术是实现高功率光纤激光输出的关键技术之一。对国内外双包层光纤激光器所采用的各种端面抽运耦合技术和侧面抽运耦合技术进行了详细的介绍,并比较了各自的优缺点。分析表明,熔融拉锥光纤束端面抽运和GTWave侧面抽运方式更有利于实现高功率光纤激光输出。     

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。     

全国产分布式侧面抽运光纤激光器实现千瓦输出

<正>分布式侧面抽运光纤是指一种抽运光由抽运纤通过倏逝场逐渐耦合到信号纤的特殊增益光纤(图1),其抽运通道和信号通道相对独立,在抽运光耦合和光纤器件保护方面具有独特的优势,并且使抽运光吸收和热沉积更加均匀,在功率提升方面具有非常大的潜力,是大功率光纤激光器领域的一个重要研究分支。     

高功率光纤激光器抽运耦合技术研究进展

综述了双包层光纤激光器端面、侧面和集中抽运耦合技术,分析表明侧面抽运耦合技术比端面抽运耦合技术更有利于获得高功率输出,其中分布包层抽运耦合技术是很理想的一种侧面抽运耦合方式.阐述了高功率光纤激光器的特点并介绍了光子晶体光纤和螺旋芯光纤的抽运耦合方式.     

高功率光纤激光器抽运耦合技术研究进展

综述了双包层光纤激光器端面，侧面和集中抽运耦合技术，分析表明侧面抽运耦合技术比端面抽运耦合技术更有利于获得高功率输出，其中分布包层抽运耦合技术是很理想的一种侧面抽运耦合方式。阐述了高功率光纤激光器的特点并介绍了光子晶体光纤和螺旋芯光纤的抽运耦合方式。     

高功率拉曼光纤激光器技术研究进展

近年来,高功率拉曼光纤激光器技术发展迅速,输出波长范围覆盖可见光至中红外波段,最大输出功率超过千瓦。在功率提升方面,拉曼光纤激光器技术的发展脉络可概括为:激光振荡器、主振功率放大器和抽运/信号集成放大器。在重要科研应用的驱动下,高功率窄线宽拉曼光纤放大器技术得到显著发展。另外,高功率拉曼光纤激光器技术还有一些新的扩展,包括包层抽运、二极管直接抽运以及拉曼光纤激光合束等,未来发展潜力巨大。     

光纤放大器侧向多点抽运耦合的研究

在微棱镜侧面抽运耦合的基础上提出利用缠绕光纤的方法，将光纤进行并排缠绕到一跑道型的物体上，利用微棱镜将抽运光进行侧面多处抽运耦合进入光纤，利用粒子数速率方程和信号光及抽运光的传输方程进行了相关的数值模拟，分别讨论了在端面抽运和侧面抽运两种方式下，各处抽运功率相同和总抽运功率相同时增益随光纤长度变化的情况，发现多点耦合的确能够有效地提高信号光的增益。讨论了弯曲损耗和过剩抽运光对信号光增益的影响，结果表明光纤的弯曲半径不要太小以致于产生太多的损耗从而导致增益降低，而剩余的抽运光可忽略不计。这种方法不仅为微棱镜的制造和实验操作带来了方便，而且有效地提高了光纤放大器信号光的输出增益。     

全光纤结构的两级分布式窄线宽双包层光纤放大器

利用主振荡一功率放大(MOPA)技术,实验研究了两级级联、全光纤结构的窄线宽连续激光放大器.其中,以20dB光谱线宽0.078nm的窄线光纤激光器为信号光源,两个放大级中分别采用光纤侧面耦合器,(6+1)X1光纤合束器实现抽运光功率的耦合.以及使用1053nm单模纤芯的双包层掺镱光纤、大模场面积的掺镱双包层光纤作为增益光纤.在伞光纤结构放大器中,对第二级放大级中(6+1)X1抽运光注入端的反向传输光的光谱和功率进行了监测和分析.通过优化增益光纤的长度,抑制了掺镱光纤中自发辐射光的自牛激光振荡.在窄线宽激光放大过程中实现了中心波长1053 nm.总放大增益27.6 dB,功率16.09 W的稳定激光输出,没有发现受激布里渊散射和受激拉曼散射等非线性效应.     

掺镱全光纤激光振荡器横向模式不稳定与受激拉曼散射的关系

研究了掺镱全光纤激光振荡器中横向模式不稳定效应与受激拉曼散射之间的关系。在纤芯直径为20μm的单端抽运1.5kW级全光纤激光振荡器中,当受激拉曼散射达到一定阈值时,横向模式不稳定效应突然出现,激光器输出功率突然减小,减小的输出功率由包层光滤除器倾泻到谐振腔外。实验发现:受激拉曼散射光谱增强、输出功率减小与包层光滤除器温度上升存在一定的关联;通过缩短光纤长度抑制受激拉曼散射,可以将单端抽运激光振荡器的横向模式不稳定阈值增大到2kW以上。对纤芯直径为25μm的双端抽运激光振荡器进行研究,同样通过抑制受激拉曼散射增大了横向模式不稳定阈值,获得了大于5kW的激光功率输出。实验结果初步验证了在非线性较强的情况下,受激拉曼散射是导致横向模式不稳定的原因,通过抑制受激拉曼散射可以增大横向模式不稳定阈值。     

L-波段级联结构掺Er光纤放大器的优化设计

在前级Er光纤（EDF）长度和抽运功率确定的前提下，通过改变后级抽运功率，对L波段级联结构掺Er光纤放大器（EDFA）的两级光纤长度的比例进行了优化研究。当前级的抽运功率和光纤长度分别为60mW和5．4m时，通过对后级参数进行优化，小信号增益达到了30．1634dB，同时噪声指数仅为4．078dB。与其它设计方案相比，该方案更具有实用性：首先，可以通过选择适当的后级抽运功率使级联放大器得到足够大的增益；其次，可以充分利用抽运光能量，从而提高抽运利用效率。     

基于MOPA结构的1064nm单频光纤激光器

为了抑制受激布里渊散射效应, 提高单频窄线宽种子源的放大功率, 采用主振荡功率放大器结构, 并对光纤长度、纤芯直径和抽运参量进行优化, 实现了42W的1064nm信号光输出。实验中, 一级放大采用914nm半导体激光器作为抽运源, 增益光纤芯径10μm, 长度8m;二级放大采用976nm半导体激光器作为抽运源, 增益光纤芯径20μm, 长度2.4m。在种子光功率40mW、一级放大的抽运功率6.8W、二级放大的抽运功率85W时, 得到了42W的1064nm信号光输出。结果表明, 光光转换效率约49.4%, 偏振消光比27.5dB; 输出信号光中心波长1064.5nm, 线宽约70MHz, 保持了种子光的单频特性。在42W连续输出时没有观察到受激布里渊散射, 继续增大抽运功率, 有望实现更高功率的放大。     

利用GaAs作为饱和吸收体的被动调Q光子晶体光纤激光器

利用GaAs晶体作为可饱和吸收体, 实现了掺镱光子晶体光纤激光器的被动调Q输出。实验用掺杂光子晶体光纤的芯径为21 μm, 数值孔径为0.04, 在实现了大模场面积的同时, 保证了激光器的单模运转, 从而得到高光束质量的激光输出。实验使用高功率半导体激光器作为抽运源, 采用自行研制的耦合系统将抽运光耦合进入光子晶体光纤的包层中。在激光器平均输出功率为5.8 W时, 实验得到的最短输出激光脉冲为80 ns, 重复频率为6.7 kHz。     

侧面分布式泵浦双包层脉冲光纤放大器

采用自行研制的光纤侧面耦合器,设计和研制了侧面分布式泵浦、两级全光纤连接的掺镱双包层脉冲光纤放大器,实现了输出波长为1064nm、平均输出功率达到2.12W、脉冲宽度20ns、重复频率50kHz的高功率、高重复频率全光纤结构脉冲光纤放大器.光纤侧面耦合器对泵浦光耦合效率最高达到69%,对反向信号光的隔离度最低为17dB,有效避免了高功率脉冲回波对泵浦光源的损害,使用更高泵浦耦合效率的侧面耦合器,可进一步提高放大器输出功率.     

百瓦级全光纤双包层光子晶体光纤放大器

利用双包层掺镱光子晶体光纤(DC-PCF)作为增益光纤,设计制作了全光纤双包层光子晶体光纤放大器。实验制作了匹配DC-PCF的(6+1)×1端面抽运耦合器,6根抽运光纤采用包层直径、纤芯直径分别为105μm和125μm(数值孔径为0.22)的多模光纤,信号光纤采用普通单模光纤。利用套管法制作端面抽运耦合器,并将制作完成的耦合器与DC-PCF直接熔接,再对光子晶体光纤进行锥棒熔接,锥棒输出端面镀1000~1100nm的增透膜,以防止激光反馈对整个放大系统产生影响。对全光纤双包层光子晶体光纤放大器进行测试,使用976nm的抽运源提供能量,信号光使用波长为1064nm、功率为2 W的连续光。当抽运功率达到最大值151.83 W时,最大输出功率为108.1 W,斜率效率为72.7%。输出光斑为很好的基模光斑,体现了光子晶体光纤在具有大模场面积的同时仍能保持基模传输的优良特性。     

高功率全光纤(2+1)×1侧面抽运合束器的研制

基于拉锥-熔合法研制了一种高功率全光纤(2+1)×1侧面抽运合束器。利用仿真软件建立理论模型,计算了合束器耦合效率,并制备出这种侧面抽运合束器。经测试,该合束器在抽运功率为600 W时,两抽运臂的耦合效率分别为98.2%和96.3%,信号光插入损耗约为0.11dB。利用该合束器搭建了千瓦级光纤激光放大器,双向抽运光功率达到1.8kW时,在1080nm处获得的激光输出功率为1.426kW。