高功率光纤拉曼激光器研究进展

随着大功率半导体抽运技术和新型光纤结构的发展,高功率光纤拉曼激光器逐渐成为研究的热点。从锗硅单包层光纤、双包层光纤以及光子晶体光纤拉曼激光器的物理模型入手,介绍了高功率光纤拉曼激光器的基本理论,指出了它们各自的优缺点和最新的研究进展。论述了当前窄线宽光纤拉曼放大器的最新进展、存在的技术难点以及解决方法。展望了光纤拉曼激光技术在高功率激光器方面的发展前景。     

高功率光纤激光抽运耦合技术综述

高功率光纤激光器是目前激光器研究发展的一个热点。抽运耦合功率将直接决定光纤激光器的输出功率。分析了光纤激光抽运耦合技术的研究现状,从端面抽运耦合和侧面抽运耦合两大基本结构出发,详细阐述了各种光纤激光抽运耦合器的技术方案和特点,并进行综合比较,针对现存问题以及今后的研究方向提出了建议。     

双端包层抽运光纤激光器实现137 W激光输出

采用包层抽运技术的双包层光纤激光器能够在内包层中注入高的抽运光功率 ,从而获得高功率的激光输出。光纤激光器具有接近量子极限的光 光转换效率 ;其面积 体积比很大 ,纤芯内高功率激光产生的热量很容易通过光纤表面散出 ,即使在高功率情况下也无需对光纤和谐振腔进行强制冷却 ;纤芯的波导限制使在高功率激光输出下也能够保证高的光束质量。这些独特特点使得高功率双包层光纤激光器成为极具前景的激光器件 ,在高精度激光加工、激光医学、空间技术等领域中逐渐成为主导力量。本课题组运用高功率LD抽运模块 ,采用端面包层抽运掺Yb3+ 双…     

用于光纤拉曼放大的高功率光纤激光器

综述用于光纤拉曼放大器的高功率光纤激光器，详细分析了双包层光纤激光器工作原理及其关键技术；介绍了双包层光纤激光器抽运的级联拉曼光纤激光器的最新进展，并展望了这一领域的发展。     

高功率1.48 μm国产掺磷光纤级联拉曼激光器

使用20 W/1.06 μm掺镱双包层光纤激光器作为抽运源, 抽运由300 m国产掺磷光纤和光纤光栅构成的级联拉曼谐振腔, 进行了高功率1.48 μm级联拉曼光纤激光器的实验研究。实验研究了不同反射率的输出光纤光栅对拉曼激光阈值和激光效率的影响。结果表明激光阈值随输出光纤光栅反射率的增加而减小。当使用25.7%的输出光纤光栅时, 激光器具有最大的转换效率, 在入腔抽运功率为12.1 W时, 获得了最大2.8 W/1.48 μm连续波激光输出, 相应的激光斜率效率和转换效率分别为31.3%和23.1%。通过监测1.48 μm激光的最大输出功率, 2 h内的功率波动小于5%。     

三点抽运的高功率双包层光纤激光器优化设计

采用侧面抽运技术的三点抽运的高功率双包层光纤激光器是多点抽运的高功率双包层光纤激光器中最简单最基本的形式。为了研究其抽运参数的优化,以便在相同的抽运光功率下获得最大的激光输出功率,首先从掺Yb双包层光纤激光器的速率方程出发,得到了总体抽运损耗功率的表达式,然后根据总体抽运损耗功率最小化的原则,对三点抽运的高功率双包层激光器进行了优化设计,得到了最优抽运点选取的解析表达式。数值仿真分析表明,优化后的光纤激光器输出功率较优化前有所提高,尤其是对于优化前抽运光的总体损耗功率较大时更为明显。三点抽运的高功率双包层光纤激光器的优化结果很有意义,也为多点抽运的双包层光纤的优化设计提供了思路。     

1120nm窄线宽掺镱光纤激光器

为了获得窄线宽、高功率、长波长(相对于1030nm~1080nm)的1120nm光纤激光器,采用普通单模掺镱光纤和一对光纤布喇格光栅构建了该光纤激光器的谐振腔,为保证抽运光的完全吸收和避免非线性效应,对有源光纤的最佳长度进行了理论分析和实验验证。结果表明,激光器的阈值抽运功率为40mW、注入抽运功率为265mW时,激光器输出信号光功率35mW,光光转换效率为13.2%,激光器中心波长为1120.9nm,输出激光的谱线宽度为0.03nm。这种激光器的获得是因为采用了高反射率耦合输出光纤布喇格光栅、短谐振腔结构和低功率运转状态。该激光器可作为种子光注入光纤放大器。     

双端包层抽运光纤激光器实现30 W激光输出

采用包层抽运技术的双包层光纤激光器能够在内包层中注入高的抽运功率 ,从而可以获得高功率的激光输出。内包层的非圆对称结构可以使绝大部分抽运光多次通过掺杂稀土元素的纤芯 ,足够长度的光纤能够使抽运光充分吸收 ,因此能够获得接近量子极限的光 光转换效率。此外 ,其面积 体积比很大 ,纤芯内高功率的激光产生的热量很容易通过光纤表面散出 ,即使在高功率情况下也无需对其谐振腔进行强制冷却。纤芯的限制使高功率激光输出时也能保证高的光束质量。这些特点使高功率双包层光纤激光器成为新一代激光器件 ,在高精度激光加工、激光医学、激…     

高功率侧面抽运耦合器及其应用研究

抽运耦合器是高功率光纤激光器的关键无源光器件,可以将多路抽运光高效率地耦合进双包层光纤中,从而为光纤激光器提供所需的抽运功率,所以抽运耦合器是研制高功率光纤激光器首先要解决的问题。采用氢氧焰熔接方法,研制了一种高功率侧面抽运耦合器,在最大抽运功率为100 W时,耦合效率94%,信号光插入损耗0.15 d B,附加损耗0.2 d B,主光纤分光比99%,方向性22.5 d B。利用该耦合器搭建了百瓦级光纤激光器,当总抽运功率为185 W时,在1080 nm处获得的激光输出为103 W,光-光转换效率为56%。该高功率侧面抽运耦合器可用于输出功率为百瓦级和千瓦级的高功率光纤激光器。     

1.6kW全光纤掺镱激光器

高功率全光纤连续激光器以其转换效率高、光束质量好、热控管理方便和结构紧凑灵活等优点,成为国际激光技术领域的研究热点之一。最近,清华大学光子与电子技术研究中心成功实现了全光纤连续激光器1.63kW激光输出。高功率全光纤激光器采用种子源加两级级联放大器方案,结构原理如图1所示。光纤种子源模块由LD抽运耦合器、双     

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。     

七芯光子晶体光纤实现高功率白光超连续谱输出

<正>多芯光子晶体光纤便于与抽运激光器的大模场直径输出尾纤进行低损耗的熔接,能够把高功率的抽运激光耦合进光子晶体光纤中。同时,多芯光子晶体光纤的光场分布直径比单芯光子晶体光纤大,尽管激发非线性效应所需的激光抽运功率会有所提升,但是其激光损伤阈值也随之提升,即能够承受更高功率的抽运激光。因而,多芯光子晶体光纤非常适合用于构建全光纤化的高功率超连续谱光源系统。最近,国防科学技术大学采用高功率皮秒光纤激光抽运由光纤光缆制备技术国家重点实验室拉制     

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。     

掺Yb双包层光纤激光器获得50W激光输出

双包层光纤激光器同常规激光系统相比 ,其在散热、光束质量、效率、体积等方面具有显著优势 ,是高功率激光器向小型化、全固化和集成化发展的一个重要方向 ,采用掺Yb的双包层光纤实现高功率 1μm左右的单模激光输出是目前人们研究的重点。最近 ,我们采用准直输出的大功率半导体激光器为抽运源 ,通过特殊设计的抽运耦合系统来抽运D形内包层的双包层光纤 ,获得了 5 0 3W的激光功率输出。所用抽运源为准直输出的大功率LD模块 ,其输出约为 72mm× 2 4mm的长方形准直光束 ,中心波长约在 975nm。双包层光纤为D形内包层 (35 0 /4 0 0 μm )的掺…     

高功率窄线宽全光纤结构掺铥连续光纤激光器

报道了高功率、窄线宽、全光纤结构的2μm波段掺铥连续光纤激光器。该掺铥连续光纤激光器采用了主振荡功率放大(MOPA)结构设计,通过采用790nm的多模半导体激光器抽运双包层单模掺铥光纤,获得了稳定的中心波长为1963nm的窄线宽、连续激光输出,最大输出功率为20mW。利用该低功率连续激光作为种子源经过两级掺铥光纤放大器后,平均输出功率达到了22W,相应的斜率效率为44%,激光中心波长为1963nm,3dB光谱线宽仅为0.24nm。     

连续掺镱光纤放大器的提取效率

连续光纤激光器在加工及军事等领域都有重要应用。为了研究掺镱光纤放大器中影响提取效率的关键因素,在稳态激光速率方程基础上,考虑光纤放大器中自发辐射放大,建立了高功率光纤放大器的数值模型,并分析提取效率与光纤端面反射率,信号光功率以及抽运光功率之间的关系。采用反向抽运光纤放大器的实验方案,对有关提取效率的理论分析进行了初步验证。理论计算结果与实验验证结果的偏差小于10%。研究结果定性地描述了光纤端面反射率、信号光的功率和抽运光的功率对光纤放大器提取效率的影响。     

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。     

抽运功率配置对双向拉曼放大器功率转换效率的影响

为了对分布式双向抽运光纤拉曼放大器的功率转换效率进行研究,在不同的抽运功率配置条件下,采用打靶法和龙格库塔法相结合的数值算法,由耦合方程出发,详细分析不同物理因素对双向抽运光纤拉曼放大器功率转换效率的影响,包括增益、增益饱和、初始信号光功率以及总的抽运功率。结果表明:信号较小、总的抽运功率较小时,抽运功率配置对双向抽运光纤拉曼放大器效率的影响较小。信号较大、总的抽运功率较大时,抽运功率配置对双向抽运光纤拉曼放大器效率的影响显著;双向抽运FRA的功率转换效率随着同向抽运功率占抽运总功率百分比的增加而增加。所得结论有新的进展,对双向抽运光纤拉曼放大器和光纤拉曼放大器功率转换效率的进一步研究有重要参考意义。     

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。     

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。