弯曲直径对多模光纤激光器输出性能的影响

大模场面积(LMA)多模光纤激光器的输出性能与光纤的弯曲程度有关。为研究两者之间的关系,在光纤不同弯曲直径下,对多模光纤激光器的输出性能进行了实验测量和理论计算。采用刀口法测量了不同弯曲直径下的激光光束质量因子M~2,并对每种情况下光纤激光器的斜率效率进行了测量。光纤弯曲直径分别为285 mm, 195 mm和130 mm时,多模光纤激光器光束质量因子M~2为2．88,1．82和1．67,斜率效率为39％,35％和34％。另外,对于实验所采用的大模场面积多模光纤,理论计算了各模式损耗与光纤弯曲直径的关系。     

光纤弯曲对掺镱光纤激光器光束质量的影响

通过改变F-P腔全光纤激光器中的光纤盘绕半径,对输出激光光束质量进行了研究.搭建了百瓦级全光纤激光器.最大泵浦功率为436 W的条件下,获得了300 W波长1 080 nm的激光输出.光束质量M2=1.13.光-光转换效率为69%.理论分析并计算了20/400 m大模场面积双包层光纤中的两种导波模式LP01模和LP11模沿光纤径向的功率分布和弯曲损耗;利用光纤弯曲选模方法,实验上探究了光纤弯曲半径对输出激光模式及光束质量的影响.实验发现,通过光纤弯曲方式可以有效地消除高阶模式,再经过包层光剥除可以获得更好的光束质量M2=1.06.     

大模场面积光纤激光器拉锥法模式选择

大模场面积(LMA)光纤激光器的光束质量通常比单模光纤激光器的光束质量差。采用光纤拉锥的方法进行模式选择,从而提高大模场直径光纤激光器的光束质量。拉锥区距光纤激光器的输出端约5 mm,纤芯最小为9μm,约为未拉锥部分纤芯直径26μm的1/3。实验研究表明,在拉锥后,光纤激光器的光束质量因子M2由3.50减小为1.81,相应的斜率效率由63.6%减小为51.1%。虽然拉锥后最大输出功率减少了约19.8%,但其亮度增大为拉锥前的3倍。     

掺镱多模双包层光纤激光器弯曲选模研究

为了使大芯径多模双包层光纤激光器实现基模输出以抑制高功率双层光纤激光器中的非线性效应,采用将大芯径的多模双包层光纤适当弯曲进行选模使双包层光纤激光器获得单模激光输出的方法,进行了理论分析和实验验证,取得了大芯径多模双包层光纤内包层折射率、纤芯半径、光纤内传输信号光波长、光纤弯曲半径等因素对弯曲损耗及激光器输出光场模式影响的数据,并采用国产掺镱多模双包层光纤进行了弯曲选模实验,实现了多模光纤激光器的单模输出.结果表明,激光器最大输出功率达9W,斜率效率达17.3%,输出为基模.这一结果对大芯径多模双包层光纤激光器的选模是有帮助的.     

大模面积双包层光纤激光器性能的实验研究

基于大模面积双包层Er3+/Yb3+共掺光纤,采用P-F腔结构,详细研究了工作温度、光纤弯曲对泵浦吸收和激光输出性能的影响。结果表明:随着泵浦功率的增大,输出光谱的模式逐渐增多;泵浦源的工作温度决定其输出光谱特性,进而影响光纤激光器的输出效果;光纤不同激光模式对应不同光纤弯曲损耗,当弯曲半径减小到一定程度时,多模输出变成单模输出,由此提高输出光束质量。     

激光在锥形多模光纤中的耦合效率与传输模式

基于光线追迹的方法建立了典型锥形多模光纤的传输模型,结合激光干扰设备激光的特点,模拟计算了激光在锥形多模光纤中的耦合效率和传输模式,并设计进行了光学实验。仿真和实验结果表明:高斯激光光斑经锥形多模光纤传输后为圆环形光斑;耦合效率随激光入射角的增大而减小,减小的速率随入射角的增大而减小。为解决圆环形光斑分布,提出了将输出端连接的圆柱形光纤弯曲一定角度的方法,该方法可以将光斑改善为二维正态分布的光斑,理论耦合效率近80%。该研究为激光干扰设备的干扰激光直接介入激光制导武器对抗半实物仿真系统提供了理论和实验支持。     

大芯径功率光纤中传输的激光束质量与偏振度研究

研究了在大芯径、多模功率光纤中传输的激光束光束质量和偏振与光纤长度的关系。用芯径为0．6mm的国产石英光纤及芯径为0．4mm和0．6mm的3M光纤做样品，实验结果表明输出光束的光束质量因子M^2值是光纤长度的双曲正切复合函数。线偏振光经光纤后其偏振度随光纤长度的变化呈指数衰减的关系。     

Characteristics of Q-switched cladding-pumped ytterbium-doped fiberlasers with different high-energy fiber designs

We theoretically and experimentally analyze Q-switched cladding pumped ytterbium-doped fiber lasers designed for high pulse energies. We compare the extractable energy from two high-energy fiber designs: (1) single- or few-moded low-NA large mode area (LMA) fibers and (2) large-core multimode fibers, which may incorporate a fiber taper for brightness enhancement. Our results show that the pulse energy is proportional to the effective core area and, therefore, LMA fibers and multimode fibers of comparable core size give comparable results. However, the energy storage in multimode fibers is mostly limited by strong losses due to amplified spontaneous emission (ASE) or even spurious lasing between pulses. The ASE power increases with the number of modes in a fiber. Furthermore, spurious feedback is more difficult to suppress with a higher NA, and Rayleigh back-scattering increases with higher NA, too. These effects are smaller in low-NA LMA fibers, allowing for somewhat higher energy storage. For the LMA fibers, we found that facet damage was a more severe restriction than ASE losses or spurious lasing. With a modified laser cavity, we could avoid facet damage in the LMA fiber, and reached output pulse energies as high as 2.3 mJ, limited by ASE. Theoretical estimates suggest that output pulse energies around 10 mJ are feasible with a larger core fiber, while maintaining a good beam quality     

大模面积双包层增益光纤优化设计

增益光纤的折射率和离子掺杂分布是决定光纤激光器输出功率和光束质量的重要因素,针对大模场光纤弯曲效应对模场面积和模场畸变的影响进行了数值分析,采用有限元方法计算了不同折射率和掺杂离子分布光纤的模场面积和增益系数。提出了高斯复合型折射率和掺杂离子分布的大模场增益光纤结构,该结构可有效提高增益光纤的增益系数和高阶模抑制系数,并具有较强的抗弯曲特性,较好的平衡了模场面积与抗弯曲特性的矛盾。根据计算结果设计了直径为65 m 的高斯复合型折射率和掺杂分布的增益光纤,在波长为1.064 m 的条件下,基模有效模面积达到1.17103 m2,基模相对增益系数和高阶模相对抑制系数分别达到0.58 和0.208 8,有效地提高了光纤激光器和放大器的输出光束质量。     

国产双锥形光纤实现4kW单模激光输出

基于自主研制的双锥形掺镱双包层光纤,开展了全光纤高功率光纤激光放大实验。激光系统实现了中心波长为1080 nm、最高功率为4 kW的单模激光输出,其光光效率和斜率效率分别为82%和83%,质量因子(M²)为1.33,拉曼抑制比为44 dB。实验结果表明,双锥形光纤具有同时提高非线性效应和模式不稳定性效应阈值的优势,有利于进一步提升高光束质量光纤激光器的输出功率。     

大功率固体激光器高效率光纤耦合

光束质量参数对大功率固体激光器光纤耦合系统的设计起着关键作用。大功率固体激光器输出的为多模激光束,引入等效基模光束来计算多模激光束的光束质量是一种有效的方法,并定义包含光斑能量98%的光斑半径为束宽,以此计算多模激光束的光束质量,是准确有效的。结合大功率固体激光器的光纤耦合原理和光束变换理论设计了高效耦合系统,并对系统内透镜的通光孔径及焦距等参量做了数值优化。实验证明,此光纤耦合系统能够进行大功率固体激光高效率耦合,成功地实现了输入功率为2000W时,耦合效率大于94%的激光输出,并给出了光纤耦合的效率曲线及分析。     

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。     

环形掺Er3+光纤激光器输出特性分析与实验研究

理论分析了掺Er^3＋光纤环形腔激光器的输出特性,获得了稳态条件下激光器输出功率、阔值泵浦功率和斜率效率的解析表达式．分析了泵浦光波长、泵浦功率、Er^3＋光纤掺杂浓度、输出端耦合器分光比等的影响,推导了在特定输出波长处获得最大输出功率所需最佳掺Er^3＋光纤长度的解析表达式。进行了LD泵浦掺Er^3＋光纤环形腔激光器的实验工作,获得了斜率效率10％以上的激光输出。     

激光二极管线列阵与多模光纤列阵的光纤耦合

利用一段数值孔径(NA)较小的多模光纤作为一个低成本的微透镜,对激光二极管线列阵的大数值孔径方向准直,将激光二极管线列阵的输出光束耦合到多模光纤列阵中.激光二极管线列阵每个发光单元的光分别耦合到光纤列阵的单根光纤中.总的耦合效率和输出光功率分别为75%和15W.     

激光二极管线列阵与多模光纤列阵的光纤耦合

利用一段数值孔径(NA)较小的多模光纤作为一个低成本的微透镜,对激光二极管线列阵的大数值孔径方向准直,将激光二极管线列阵的输出光束耦合到多模光纤列阵中.激光二极管线列阵每个发光单元的光分别耦合到光纤列阵的单根光纤中.总的耦合效率和输出光功率分别为75%和15W.     

双端抽运的30 W光纤激光器实验研究

报道了双端抽运连续输出的掺Yb^3 双包层高功率光纤激光器。实验采用了中心波长在975nm附近的两种输出形式的半导体激光器(LD)作为抽运源，测量了不同抽运条件下的输出功率特性和光谱特性。在仅尾纤输出的半导体激光器抽运下获得了斜率效率为42％，峰值波长为1103．8nm的9．2W激光输出；在仅准直输出的半导体激光器抽运下获得了斜率效率为57％，峰值波长为1104．4nm的20．0W激光输出；当两个半导体激光器在双端同时抽运时，获得光纤激光最大输出功率为30．6W，输出峰值波长为1108．4nm，以及49％的总体光一光转换效率。     

环形掺Er3+光纤激光器输出特性分析与实验研究

理论分析了掺Er3+光纤环形腔激光器的输出特性，获得了稳态条件下激光器输出功率、阈值泵浦功率和斜率效率的解析表达式，分析了泵浦光波长、泵浦功率、Er3+光纤掺杂浓度、输出端耦合器分光比等的影响，推导了在特定输出波长处获得最大输出功率所需最佳掺Er3+光纤长度的解析表达式。进行了LD泵浦掺Er3+光纤环形腔激光器的实验工作，获得了斜率效率10%以上的激光输出。     

Investigations on Transverse-Mode Competition and Beam Quality Modeling in End-Pumped Lasers

The transverse-mode competition and beam quality modeling in scaling fiber-coupled laser diode (LD) end-pumped lasers to higher power and better beam quality have been investigated with the space-dependent multimode rate equations by including the thermal effect. The total photon number and threshold of the pumping rate for each mode in the cavity were obtained by solving these equations with an iterative method, and so the threshold of the pumping power, output power, optical and slope efficiency of the single mode and laser could all be calculated. Several lasers, including one ideal laser, one multimode laser, one quasi-fundamental mode laser with folded structure, were brought forward to demonstrate the modeling process and investigate the transverse-mode competition process. The calculated results were compared with the experimental ones and the rationality of the model built in this paper was validated. The model presented here may serve as the designing guideline for a practical laser, especially one with beam quality requirement.      

基于光纤光栅谐振腔的双包层光纤激光器

理论分析了线型腔双包层光纤激光器的输出特性,包括光纤长度、光纤损耗及后腔镜反射率对激光输出功率和阈值泵浦功率的影响.设计了基于光纤光栅谐振腔的双包层光纤激光器,采用锥度光纤实现了泵浦模块与双包层光纤之间的低损耗连接,实现了全光纤化的掺Yb3 双包层光纤激光器,其阈值泵浦功率为300 mW,在泵浦入纤功率为17 W时达到了10.5 W的最大激光输出功率,斜率效率为62%.     

Littman光栅外腔可调谐Yb3+双包层光纤激光器

本文对LD泵浦的光栅外腔可调谐双包层Yb3 光纤激光器进行了实验研究．采用Littman外腔结构，研究了Yb3 光纤激光器的调谐特性．输出激光调谐范围42nm，谱线宽度0．08nm，最大输出功率达到了460mW，斜率效率约30％．并对其输出光功率随波长的变化进行了观测和分析．