基于受激布里渊散射的调Q光纤激光器研究

为了获得窄脉宽和高功率的光纤激光脉冲,对基于受激布里渊散射的脉冲抽运调Q光纤激光器进行了实验研究.设计了布喇格光纤光栅、掺Yb3+双包层光纤和单模光纤作为线性谐振腔.采用锥形光纤连接抽运模块与掺Yb3+双包层光纤实现了光纤激光器的全光纤化结构.通过脉冲抽运方式,利用光纤中的非线性效应——背向受激布里渊散射对激光进行混合调Q,得到了纳秒量级的脉冲输出,其脉宽为400ns,平均功率2.5W,重复频率15kHz.结果表明,通过脉冲抽运方式,利用光纤中的受激布里渊散射能够有效地压缩输出脉冲的线宽,实现高功率输出.     

180 W单频全光纤激光器

高功率单频光纤激器在相干探测、功率光谱合成等方面具有广泛的应用前景。分析了高功率单频光纤激光器中受激布里渊散射效应的抑制方法,研究了放大级特性对受激布里渊散射效应的影响。采用线宽为70 kHz的单频光纤激光器作为种子源,经两级光纤放大,实现了中心波长1 064.1 nm、线宽70 kHz、最高功率为180 W的单频全光纤激光输出,光-光转换效率71.1%,光束质量Mx2=1.2,My2=1.21。分析了改变放大级特性前后输出功率提升的原因,认为改变放大级的温度分布减小了受激布里渊散射效应的增益系数,提高了输出激光的受激布里渊散射阈值,促使改变放大级温度分布后的输出功率大幅提高。该激光器的输出功率仅受限于泵浦功率,进一步提高泵浦功率,有望实现更高功率的单频光纤激光输出。     

1550 nm全光纤单频脉冲光纤激光器

设计并实现了一种基于人眼安全波段的1550 nm全光纤化结构单频脉冲光纤激光器。激光器采用外腔稳频技术的单频半导体激光器作为种子源,其线宽1.8 kHz,功率20 mW。通过预放大器和声光调制器获得单频脉冲激光,并运用两级光纤放大器实现了线宽1.9 kHz、平均功率521 mW、脉冲宽度200 ns、重复频率10 kHz的单频脉冲光纤激光输出。输出脉冲峰值功率达260 W。输出端采用了双包层单模光纤,保证了输出激光的光束质量。整个激光器通过对种子光级联放大,结合放大器的增益控制,成功抑制了受激布里渊散射(Stimulated Brillouin Scattering,SBS)效应,消除了放大过程中噪声对线宽的影响,获得了线宽稳定的单频脉冲激光。     

基于级联相位调制的4.9kW窄线宽单纤光纤激光器

高功率窄线宽光纤激光器在遥感测量、引力波探测、光束合成等领域中应用广泛,但硅基光纤中的受激布里渊散射效应限制了其输出功率。对单频种子源进行相位调制以展宽线宽是常见的抑制受激布里渊散射的方法。然而,单一机理的射频相位调制对受激布里渊散射效应的阈值提升能力有限,已经不能满足近5 kW的激光功率需求。分析了伪随机二进制序列和正弦信号级联的相位调制对光谱展宽和受激布里渊散射效应抑制的影响,搭建了级联相位调制的高功率窄线宽光纤激光器,采用四级功率放大结构,在46 GHz均方根线宽下,实现了4.93 kW激光输出,中心波长为1067.5 nm,斜率效率为78%,光束质量为M²<1.2。     

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。     

142 W高峰值功率窄线宽线偏振脉冲光纤激光器

报道了一种基于主振荡功率放大(MOPA)结构工作的全光纤窄线宽线偏振纳秒脉冲光纤激光器。脉冲种子源是由一个分布反馈直腔型(DFB)单频光纤激光器被光电调制器进行强度调制后产生的。为了抑制受激布里渊散射(SBS)效应,脉宽被调节为3 ns,并且种子源线宽被相位调制器展宽为2.9 GHz。经两级保偏掺Yb3+光纤放大器放大后,获得了平均功率142 W,重复频率1 MHz,脉冲宽度2.88 ns,峰值功率49.3 kW的脉冲激光输出。在最大输出功率时,激光光束质量因子M2约为1.15,偏振消光比(PER)大于15.4 dB。     

31kW窄线宽线偏振纳秒全光纤激光器

报道一种高峰值功率、线偏振、窄线宽、纳秒脉冲的全光纤激光器。种子源激光器产生的单频连续激光通过一个电光强度调制器实施调制,为抑制受激布里渊散射(SBS),脉宽设置为2.8ns,重复频率为1.59 MHz。经两级预放、一级功率放大进行放大,激光最大平均输出功率为139 W,峰值功率为31kW。实验过程中未发现受激拉曼散射(SRS),功率的提升受限于SBS。在最高功率输出情况下,激光器的光束质量小于1.3。受限于(6+1)×1保偏合束器,激光器的偏振消光比为14.5dB。     

一种利用布里渊谱宽确定光纤SBS阈值的新方法

针对传统的通过功率信息测量所得受激布里渊散射阈值偏高的问题,提出了一种利用布里渊散射谱宽确定光纤受激布里渊散射阈值的新方法。分析了本地外差检测的原理及布里渊散射谱宽与入纤光功率的关系;设计了基于本地外差检测的布里渊散射谱测量系统,在常温下对不同长度标准单模光纤的受激布里渊散射阈值进行了测量。实验结果表明:当光纤长度分别为48.8 km和9.5 km时,根据功率信息获得的受激布里渊散射阈值对应的布里渊散射谱宽均接近恒定值10 MHz,此时已发生严重的泵浦耗尽效应。利用布里渊散射谱表现出的低入纤功率时谱宽的线性下降特性和高入纤功率时谱宽的功率无关特性确定的两种光纤长度下的受激布里渊散射阈值分别为1.12 mW和3.8 mW,对应的布里渊散射谱宽分别为24.86 MHz和23 MHz,其值近似等于布里渊自然线宽。文中的研究结果对布里渊光时域反射系统最大入纤光功率的确定具有重要的参考价值。     

基于受激布里渊散射效应的4.5W全光纤窄线宽双波长激光器

制作了一个基于受激布里渊散射效应的全光纤结构窄线宽双波长激光器,其波长间隔为0.06 nm,输出功率为4.5 W,光-光转换效率为50%。对它的光谱特性、功率输出特性和相干性与单波长窄线宽光纤激光器进行对比研究表明,该双波长光纤激光器具有和单波长光纤激光器类似的功率输出特性,窄线宽双波长光纤激光器同样具有较好的相干性。在最大功率输出时,远场干涉条纹对比度达到80%。该窄线宽双波长光纤激光器可用于光束相干合成。     

Er/Yb共掺光纤脉冲放大器中的受激布里渊散射

为了精确模拟脉冲放大器中的受激布里渊现象,修正了脉冲光纤放大器中受激布里渊散射瞬态演变模型,建立了基于Er/Yb共掺双包层光纤中动态速率方程的受激布里渊散射的瞬态模型,同时包括了受激布里渊散射的信号光能量转移和反转粒子数消耗两个增益获得过程,采用有限差分的方法,分析了受激布里渊散射在高功率、低重复频率、窄脉冲光纤放大器中对输出脉冲信号单脉冲能量、峰值功率、频谱和时域波形的影响。搭建了两级放大的主振功率放大实验平台,利用重复频率为156kHz的调Q脉冲信号进行了高功率脉冲放大实验,得到了1.32W的平均功率输出,以及受激布里渊级联频谱和时域波形情况。结果表明,实验与理论分析相吻合,同时也验证了这个修正模型的正确性和有效性。     

布里渊光子晶体光纤环形移频器

通过实验研究了一种光子晶体光纤环形移频器,该移频器基于布里渊频移原理,利用光子晶体光纤布里渊增益高、阈值低的特点,同时利用光纤环形腔选频放大技术获得窄线宽高增益激光输出。实验结果表明:在波长为1 548 nm单纵模光纤激光泵浦下,10 m长光子晶体光纤的受激布里渊散射阈值功率约为457mW,环形腔输出的受激布里渊散射Stokes光相对于入射光移频量为9.778GHz、线宽500 kHz,并且移频量可以通过温度进行微调。该移频器可以用于分布式光纤布里渊传感器和微波发生器。     

单频脉冲光纤放大器中的SBS效应实验研究

为了研究受激布里渊散射(SBS)效应对单频脉冲光纤激光放大器中脉冲波形的影响,搭建了单频脉冲光纤激光放大器系统。实验中观测到脉冲波形的畸变,继续提高功率,畸变处出现峰值功率极高的尖峰,分析认为,光纤中的二次受激布里渊散射导致了尖峰脉冲出现。为验证这一结论,构造包含二阶Stokes波的耦合方程组,进行了模拟仿真。结果表明,该峰值功率极高的尖峰正是SBS效应的二阶Stokes波。     

基于SESAM的全光纤被动锁模光纤激光器

研究实现了一种主振荡功率放大（MOPA）结构的高功率全光纤皮秒级被动锁模掺镱（Yb3+）光纤激光器。种子源为基于半导体可饱和吸收镜（SESAM）的锁模光纤激光器,其为线性腔结构,输出功率为5.97 mW;预放大级采用单模掺镱光纤进行放大,之后经过4倍重复频率倍增系统和两级双包层掺镱光纤放大器,最终实现了平均功率74.3 W,中心波长1063.4 nm,脉冲宽度7.0 ps,重复频率68 MHz的锁模脉冲激光输出。实验中通过对种子光的处理和光纤长度的控制,未出现受激布里渊散射（SBS）、受激拉曼散射（SRS）等非线性效应。     

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。     

光纤放大器中受激布里渊散射的抑制

建立了一种考虑受激布里渊散射(SBS)效应和输出光纤影响的光纤放大器模型,该模型能有效描述低频脉冲的放大过程。数值仿真表明,通过优化设计掺杂光纤长度,缩短输出光纤长度,增大输入脉冲峰值功率等操作可以有效抑制光纤放大器中的受激布里渊散射。本文的结果可为单频放大系统的设计提供理论依据。     

MOPA方式高峰值功率脉冲光纤放大器模拟

为了研究如何从脉冲种子光经放大器后获得能量为毫焦级、纳秒级脉宽的激光脉冲,以及重频、受激喇曼效应对输出激光脉冲的影响,采用基于主振荡动率放大方式建立了3级脉冲双包层掺Yb光纤放大器的瞬态理论模型。在不同重频下对能量为10nJ、脉宽为100ns的脉冲种子光经放大后的脉冲能量、峰值功率、平均功率、脉宽及受激喇曼效应进行了数值模拟。计算数据表明,当重频小于200Hz时输出激光脉冲的能量、波形受重频的影响很小,可以忽略不计,在适当参量下受激喇曼效应对各级放大输出几乎没有影响。结果表明,适当选择3级光纤放大器的各项参量可以实现毫焦级的激光脉冲输出。