高功率超快光纤激光器研究进展

高功率超快脉冲激光应用广泛,包括精密工业加工、超快光谱学、强场物理学及军事应用等。光纤激光具有操作方便、散热要求低、光束质量好等优势。综述了近年来高功率超快光纤激光器的研究进展,包括新兴的被动锁模光纤激光技术及啁啾脉冲放大技术,以高功率超快光纤激光器在高次谐波产生中的应用为例,阐述了高能量光纤激光在非线性光学中的优势,对高功率超快光纤激光器的研究前景进行了展望。     

高能光纤激光器光束合成技术

高能光纤激光器光束合成技术是近年来高能激光器尤其是定向能源应用中的研究热点,可突破单根单模光纤激光的输出功率限制,为高功率高光束质量的激光武器应用奠定了理论基础。介绍了光纤激光非相干合成和相干合成的国内外研究现状,给出了非相干合成技术中光束重叠和光谱合成的基本合成原理,重点介绍了国内外多家研究机构光谱合成近年来所达到的技术水平;介绍了国内外相干合成技术的最新研究进展,对相干合成等效大口径激光阵列输出中几种不同的透射式相干合成阵列输出和反射式相干合成阵列输出的关键合成装置,以及相干合成单一孔径输出中的核心光学元件进行详细分析。最后简要对比了高能光纤激光器光束相干合成技术和非相干合成技术的优缺点和应用范围。     

时分复制技术皮秒脉冲光纤放大器数值研究

基于时分复制脉冲放大的理论模型,数值研究了五级双折射晶体组级联时分复制光纤放大系统中各参数对皮秒放大脉冲特性的影响。结果表明,子脉冲之间非线性相移积累的不同会导致耦合效率降低。当时分复制后子脉冲间距大于2.5倍脉宽时,子脉冲串耦合效率达到最优。在光纤放大器非线性系数和最大增益一定的条件下,为获得峰值功率为10 MW的变换极限皮秒放大脉冲,给出了种子脉冲峰值功率和增益光纤长度的选择范围。在光纤长度确定的条件下,为了降低晶体偏转角和透射率对放大脉冲性能的影响,应选择低峰值功率的种子脉冲和高增益的光纤。     

掺镱光纤-固体高功率超短脉冲放大研究进展

高功率超短脉冲激光器在工业、科研和国防等领域有着广泛应用。光纤-固体混合放大技术将光纤激光器的光束质量好、单程增益大、散热性好等优势和单晶光纤/棒状(块状)固体放大器的脉冲峰值功率高、非线性效应弱等优势结合,是实现结构紧凑、稳定性好、成本低的高峰值功率、大能量超短脉冲激光器的有效手段。总结了近年来1μm波段掺镱光纤激光器、光子晶体光纤放大器、单晶光纤放大器和棒状(块状)固体放大器的国内外研究进展,重点介绍了本课题组在高功率超短脉冲光纤激光器、光子晶体光纤与固体放大器等领域的工作,同时探讨并展望了光纤-固体混合放大技术未来的发展方向。     

10 W量级高功率中红外超快光纤激光系统中色散管理的仿真设计

超快光纤激光器具有结构紧凑、可靠性高和光束质量好等优点,在科学研究和工业生产上有广泛的应用。2～5μm波段的中红外超快光纤激光器在气体探测、激光手术与中红外对抗中具有巨大的应用潜力,已成为超快光纤激光器领域的一个研究热点,尤其是利用掺杂铒离子的氟化物光纤作为增益光纤的光纤激光器,其可利用常见的980 nm泵浦激光产生2.8μm波段的超快激光,是研究最为广泛的中红外超快光纤激光器系统之一。然而,2.8μm波段的超快光纤激光器无论是在平均功率还是在单脉冲能量上,都与国际先进的近红外波段超快光纤激光器存在较大差距。前期报道的2.8μm超快光纤激光器输出的最高平均功率约为1 W,单脉冲能量约为30 nJ,这极大地限制了中红外超快光纤激光在高灵敏度气体测量等领域的应用。针对这一问题,本文设计了一套基于掺杂铒离子氟化物光纤的多级啁啾脉冲放大系统,并对其进行了数值模拟,此系统可将脉冲平均功率放大到10 W量级,从而获得超过250 nJ的单脉冲能量。此系统输出的高能量中红外脉冲具有约400 fs的超宽脉冲宽度,脉冲峰值功率可达450 kW。     

多通道锁相光纤束激光器

本文报道了一种基于单频振荡器耦合进入4个光纤放大器的锁相光纤柬激光器．这种激光器可以提供超过600W的相干光束。振荡器调制带宽达到2GHz来增加受激布里渊散射的阂值,然后分出一路光束并频移形成参考光束。振荡器输出通过基于20μm芯径Yb掺杂光纤的终端泵浦的光纤放大器进行放大,以提供每个通道超过260W功率。合成光束形成相干输出,相位误差为1／20λ,并不受光谱展宽的影响。     

1.7 μm超快光纤激光器研究进展（特邀）

超快光纤激光器具有紧凑性高、光束质量佳、散热性好等优点,是一种极具发展潜力的激光光源。工作波长作为超快光纤激光器的重要参数,在一定程度上决定了激光器的应用领域。近年来,得益于1.7 μm波段的独特光谱特性,1.7 μm波段超快光纤激光器在生物医学、聚合物加工、光学成像等领域具有重要的应用价值。因此,研制高性能的1.7 μm波段超快光纤激光器成为激光领域的研究热点之一。文中综述了近期1.7 μm波段超快光纤激光器的研究进展,对目前获得1.7 μm波段超短脉冲的不同方式进行总结,分析其技术特点;同时,介绍了笔者所在课题组报道的1.7 μm波段耗散孤子超快光纤激光器及其放大系统的研究成果,概述了其工作原理、技术难点;最后,对1.7 μm波段超快光纤激光的应用前景及发展趋势进行了展望。     

中红外波段超快光纤激光器研究进展

近年来中红外超快锁模激光器发展极为迅速,有效地推动了中红外超快激光在中红外频率梳和分子光谱学、材料加工和激光手术、分子生物和化学等领域的应用。从近年来中红外超快光纤激光器的进展开始,介绍了该波段各类光纤激光的进展,并分析了如何从动力学调控上实现更窄脉宽、更远波长的技术方案;系统介绍了中红外光纤放大器中啁啾脉冲放大和非线性放大技术。综合来看,中红外超快光纤激光器正处在高速发展阶段,未来具有极高的应用价值。     

光纤激光器光束合成技术

介绍了光纤激光器光束合成的原理、方法,概述了激光束波长合成技术、相干合成技术的研究和发展状况,总结了光纤激光器合成技术的发展趋势.     

2μm波段高功率超快光纤激光相干合成

<正>近年来，中心波长拓展到2μm附近的高功率超快光纤激光器在基础研究、医疗、工业等领域中的应用越来越受到人们的关注。掺铥光纤啁啾脉冲放大器（CPA）具有高转换效率、易散热和优异的光束质量等优点，是产生2μm波段高平均功率超快激光的理想选择。目前，基于掺铥大模场光子晶体光纤的啁啾脉冲放大系统已实现了1 kW的平均功率输出，但由于存在自由空间耦合模块，为避免1900 nm波长附近显著的水吸收峰对输出光束及脉冲质量的影响，往往需要抽真空或充入惰性气体，故激光系统的紧凑性和鲁棒性受到挑战。     

激光相干合成的研究进展:2011—2020

本文回顾了过去10年激光相干合成领域取得的重要进展,总结了可合成激光模块性能提升的标志性成果,梳理了相干合成使能技术取得的重要突破,展示了不同类型激光相干合成取得的成果及其多样化应用,并对激光相干合成领域的发展进行了展望。     

超短脉冲光纤激光相干合成(特邀)

相干合成技术能够突破单路激光的功率和脉宽极限,实现超高功率、超短脉宽的脉冲激光输出。介绍了超短脉冲光纤激光空域、时域和频域相干合成的基本原理和关键技术。综述了空域、时域和频域相干合成系统及其关键技术的研究现状,梳理了超短脉冲光纤激光相干合成的发展趋势,为相关技术的发展提供参考。     

高功率窄线宽光纤激光的研究进展与发展趋势

高功率窄线宽光纤激光器具有光束质量好、结构紧凑等优点,在相干合成、光谱合成以及非线性频率变换等领域具有广泛的应用前景,基于窄线宽光纤激光相干合成、光谱合成的激光系统性能指标已经超越单束激光的最高性能,基于窄线宽光纤激光非线性频率变换的激光也实现了同类波段激光的最高性能。分析窄线宽光纤激光功率提升同时保持光束质量过程中产生的物理机制和面临的技术挑战,详细介绍学校课题组在高功率窄线宽光纤激光方面取得的代表性成果,特别是高光束质量的7 kW级非线偏振窄线宽激光和5 kW级线偏振窄线宽激光,不仅是同类激光的最高功率值,也逼近了同等条件下非窄线宽光纤激光的功率极限。根据近年来理论研究和技术攻关结果,结合国内外研究现状,对高功率窄线宽光纤激光未来几个发展趋势进行预判。     

光纤激光相干合成中倾斜和锁相同时控制的实验研究

光纤激光的相干合成是获得高能量密度、高光束质量激光输出的有效方法之一。在相干合成中,各个单元光束的倾斜波前畸变和活塞相位误差对合成的效果具有重要影响。搭建了两路光纤激光相干合成系统,利用光纤自适应准直器和相位调制器对相干合成中倾斜波前畸变和活塞相位误差进行校正。实验系统以高速相机采集的光斑数据作为评价依据,通过计算机程序进行控制,控制算法为随机并行梯度下降算法。在倾斜和锁相控制前,合成光斑的条纹对比度为0.03,桶中功率为8.03;在倾斜和锁相控制后,合成光斑的条纹对比度达到了0.59,桶中功率达到了32.89,说明实验中倾斜和锁相控制显著提高了相干合成的效果。     

被动锁相光纤激光相干组束的研究进展

被动锁相光纤激光相干组束是实现大功率、高质量光纤激光输出的有效手段之一。介绍了外腔法、全光纤自组织法、倏逝波耦合以及相位共轭法四种组束方案的原理,综述了被动锁相光纤激光相干组束技术的研究进展,分析了四种组束方案的发展前景。     

孔径填充——光纤激光阵列相干合成中的关键技术

光纤激光相干合成能够获得高功率、高光束质量的光束输出。目前国内对于相干合成技术的研究集中于各路激光的相位控制,即光束如何相干。而相干光束的合成,即如何提高相干激光阵列的填充因子,作为影响相干合成光束质量的一个重要因素,则较少受到关注。为了保证相干合成激光的光束质量,需辅以相应的孔径填充技术尽可能增大激光阵列的填充因子。跟踪国外近年来发展的孔径填充技术,如幅相转换、自成像波导、光束整形、衍射光学法、光束截断法等,并对每一种技术加以分析和评判。结果表明,光束截断法不需要复杂的光学设计,实施起来最为简单有效,有可能最终用于多路大功率光纤激光的合成。     

Mutual Injection-Locking and Coherent Combining of Two Individual Fiber Lasers

In this paper, mutual injection-locking and coherent combining are demonstrated with two individual erbium-doped fiber lasers that were coupled by two fiber splitters. Mutual injection-locking theory of two lasers is analyzed. In the free-running state, the far-field beam profile is a simple intensity superposition, as expected of two incoherent beams. Under mutual injection-locking, interference fringes with high contrast ratio are obtained, and the two fiber lasers lase at the same wavelength with a stable output power. We have found that the two fiber lasers are always in out-of-phase mode, which is consistent with theoretical analysis. Coherent beam combining by mutual injection-locking is realized without the need for length or amplitude control. This method can be easily scaled to combine more beams.     

光纤激光器的相干输出

研究了两路光纤激光的相位锁定和相干输出, 用融锥光纤耦合器实现了两路高掺铒光纤激光之间的相互耦合。提出了在激光器高反射率前腔镜的前面加融锥光纤耦合器的方法构成简单的共振腔, 从而实现两路光纤激光的相干叠加。开展了基于融锥光纤耦合器互注入锁相的两路光纤激光器的相干合成实验, 成功实现了两路光纤激光器的注入锁定, 观察到了波长锁定（中心波长稳定在1549.8 nm, 线宽为0.08 nm）、远场干涉条纹和线宽压缩现象。分析了单个激光器和激光器阵列的斜率效率, 当反射率为70%, 抽运功率均为145 mW时, 获得最大合成功率为127 mW。     

High-Power Coherent Beam Combining of Two Photonic Crystal Fiber Lasers

Coherent beam combining of two large mode area photonic crystal fiber (LMA PCF) lasers is studied experimentally by using a self-imaging technique. Steady interference strips with high visibility of 35% are observed in high-power operation, which demonstrates the obvious advantages of the LMA PCF over the conventional double-clad fiber in coherent beam combining. Experiments also show that the reflectivity of coupling output mirror affects the coherent output power. The maximum coherent output power of 80 W with approximate 90% combining efficiency is achieved when the pump power is 130 W and the reflectivity of coupling output mirror is 5%.