Tandem pumping architecture enabled high power random fiberlaser with near-diffraction-limited beam quality

In this contribution, we present the tandem pumping avenue leveraged performance scaling of random fiber laser to record 3 kW level with inherent temporal stability and near-diffraction-limited beam quality. The high power system employs a four-stage master oscillator power amplifier chain. The master oscillator is a half-opened cavity structured random distributed feedback fiber laser centered at 1080 nm and pumped by incoherent amplified spontaneous emission source. Narrowband random laser seed is selected by employing a spectral filtering module with a maximum output power of 1.08 W, full width at half maximum linewidth of 0.47 nm and spectral optical-signal-to-noise ratio of about 42 dB. As to the main amplification stage, for given 104 W pre-amplified random laser seed and 3.61 kW pump laser, an ultimate output power of 3.03 kW can be obtained,corresponding to an optical-to-optical conversion efficiency of 81.05%. Nearly single-transverse-mode amplified random laser can be achieved even at full power level for inherent high thermal modal instability threshold enabled by tandem pumping and inducing bending loss for high-order transverse-mode. Further performance scaling of this high power random laser system, such as power boosting, operation wavelength tuning and linewidth alteration, is the next goal.     

18.4W皮秒光纤激光器及其全光纤化超连续谱源

采用光纤非线性环形腔被动锁模方案,研制毫瓦级掺镒皮秒光纤激光器,对其进行3级主振荡功率放大(master oscillator power amplifier,MOPA),得到功率18.4 W,重复频率85 MHz,线宽5.7 nm的高质量皮秒激光输出.利用自主研发的模场适配器,实现了此高功率皮秒激光器对长度为50 m高非线性光子晶体光纤的高效全光纤化泵浦,研制了输出功率为3.6 W的全光纤化宽带超连续谱光源,其在1 700nm(500～2 200 nm)的带宽范围内具有10 dB的光谱平坦度.     

基于光栅外腔的高功率半导体激光阵列谱合束研究进展

半导体激光器与其他类型激光器相比具有寿命长、效率高和波长范围广等优点,使其成为现代激光领域的重要组成部分。输出功率和光束质量是判断半导体激光器优劣的两大关键指标,但半导体激光器的特殊原理和结构决定了它在追求高功率的同时光束质量会劣化,导致其应用范围受限。谱合束技术被证明是解决该问题的关键技术之一,但目前仍然存在光功率和光束质量退化等问题;因此,如何获得高亮度合成光束成为国内外研究热点。针对外腔谱合束技术,本文首先介绍了半导体激光阵列和叠阵,总结比较了应用于谱合束技术的3类光栅,阐述了光栅外腔法谱合束技术的基本原理,概括了国内外高功率半导体激光阵列谱合成技术的研究进展和现状,分析讨论了导致合成光束质量劣化和合束功率耗损的因素,展望了高亮度半导体激光器的发展前景。本研究有助于推动高亮度半导体激光器直接光源的进一步发展。     

Towards tapered-fiber-based all-fiberized high power narrow linewidth fiber laser

Yb-doped fiber laser (YDFL) is a promising kind of laser source due to high efficiency, excellent beam quality, robust configuration, diverse applications and so on. The progress of large-mode-area double cladding active fiber and high power laser diodes have been continuously promoting the power scaling of the YDFLs. However, the further power scaling is blocked by some physic issues including nonlinear effect, thermal-induced mode instability (MI), optical damage and so forth. So, newly-designed fibers with special structures are invented to address or relieve these limitations. The tapered fiber, which has changed mode area along its longitudinal direction, has been demonstrated to benefit suppressing the nonlinear effect, especially the stimulated Brillouin scattering (SBS) effect. In this paper, we will review the previous work done to explore the advantages of the tapered fiber for high power output, and then for the first time to our knowledge, demonstrate an all-fiberized high power narrow linewidth fiber laser based on a homemade tapered Yb-doped fiber (T-YDF). As a result, an output power of 260 W with a narrow linewidth of ～2 GHz is obtained, with SBS effectively suppressed owing to gradually increased mode area of the T-YDF as well as continuously changed Brillouin frequency shift dependent on the core diameter. Further power scaling is limited by MI, and the features of MI are studied in detail. It is pointed out that, the MI seems the primary and durative limitation factor of the tapered fiber amplifier for high power narrow linewidth output due to the gradually increased effective numerical aperture (NA) and the excitation of the high-order modes, even although it has the advantage to reduce other nonlinear effects. At last, worthwhile discussion about the optimization of the T-YDF and the whole fiber laser system for both SBS and MI suppression is conducted based on the previous and our results. It is concluded that the small diameter at the small-diameter end and low optical NA are preferred in the design of a T-YDF to ensure good beam quality and improve the MI threshold. The good splicing quality and proper coiling or bend state are also necessary.     

喇曼光纤放大器中泵浦光的优化设计

在阐述受激喇曼散射原理的基础上,深入研究了喇曼光纤放大器设计中泵浦光的优化配置。分析了喇曼光纤放大器的泵浦光源个数、波长、功率等因素对放大器增益平坦度的影响。     

光纤中受激喇曼效应的应用技术研究

概述光纤受激喇曼散射原理,综述光纤喇曼散射主要应用,即光纤喇曼放大器、光纤喇曼激光器、光纤喇曼波长转换器和光纤喇曼传感器四种应用技术的研究现状,及其发展趋势。     

基于Mini-bar的千瓦级大功率激光器光纤耦合

高功率激光器是一个发展趋势,由于半导体激光器的自身限制,使用光纤耦合的方法来提高光束的质量,对半导体激光器尤其是大功率半导体激光器的光纤耦合研究具有非常重要的应用价值。故对半导体激光器阵列的千瓦级光纤耦合模块进行了研究分析,基于Mini-bar的半导体激光光纤耦合模块进行仿真模拟,采用36只输出功率为80W的Mini-bar半导体激光器组成两列空间叠阵作为耦合光源,通过准直、合束、聚焦等方法高效耦合进入数值孔径0.22、芯径300mm的光纤中,系统最终输出功率达到2849.3W,光纤耦合效率大于98%。     

高功率窄线掺铒光纤激光器的研究进展

概述了国内外高功率、窄线宽掺铒光纤激光器的广泛应用及其实现方法,并对各种实现方法进行了比较。     

拉曼光纤放大器的增益平坦化综述

在整个工作波段内具有较好的增益平坦度是对应用于波分复用光纤通信系统中的拉曼光纤放大器的一个基本要求。文章在分析RFA原理基础上,针对目前RFA的研究现状,分析了实现其增益平坦的几种方法,总结了国内外对RFA增益平坦化的研究,最后对其发展进行了展望。     

光纤激光外腔频谱组束的实验研究

实验中采用激光二极管作为泵浦源、大模面积Er3+Yb3+共掺双包层光纤作为增益介质,利用傅里叶变换透镜、闪耀光栅和输出耦合镜组成的外腔结构,实现了两路Er3+Yb3+共掺双包层光纤激光器的频谱组束。在单路光纤激光器的最大输出功率为520 mW和545 mW、光栅衍射效率为80%的条件下,获得了690 mW的组束功率,组束效率为65%,同时对组束激光的光束质量进行了评估。测得水平和垂直方向的光束质量因子分别为M2x=1.592,M2y=1.335。     

高功率掺镱光纤超荧光源的研究进展

高功率掺镱光纤超荧光源是一种兼具荧光及激光特性的高亮度光纤光源,近年来发展十分迅速.其输出波长和光谱线宽可以在1μm波段灵活调制,连续输出的平均功率和脉冲输出的峰值功率均可达到kW量级,光束质量不逊于常规高功率激光器,在激光材料加工、高功率光谱合束等领域有着巨大的应用潜力.主要综述了高功率掺镱光纤超荧光源的发展历史、最新研究进展,最后介绍了本课题组在高功率掺镱光纤超荧光源所做的研究工作.     

可见光波段超连续谱产生机制的实验及理论研究

针对光子晶体光纤(PCF)在可见光波段的光谱展宽机制和特点,实验研究了入射激光的功率和中心波长等对超连续谱(SS)产生的影响,理论分析了光谱展宽的机制以及平坦度增大的原因。结果发现:在入射激光功率较低的情况下,利用包含色散、自相位调制、自变陡及脉冲内拉曼散射效应的非线性薛定谔方程可以准确地分析光谱的展宽情况,理论分析和实验结果一致;但是,当功率较高时,交叉相位调制及四波混频效应成为光谱在短波方向展宽不可忽略的重要因素。     

拉曼光纤放大器的原理及其应用

介绍拉曼光纤放大器的原理、特点和设计方法,分析拉曼光纤放大器在光纤通信系统中的应用.     

不同材料光纤级联RFA增益谱的平坦化

讨论不同材料光纤级联拉曼光纤放大器(Raman Fiber Amplifier,RFA)增益谱平坦化技术,对把耦合波方程解析解直接应用在不同材料光纤级联中的方法提出一种改进,即将受激拉曼散射耦合波方程解析解的化简形式具体应用到普通石英光纤和掺磷石英光纤级联中,使输出端得到一个固定的功率输出值,从而实现信号光增益谱的平坦化。仿真结果表明,根据改进方法所设计的放大器增益平坦度高,信号光功率增益大,可实现不同材料光纤级联RFA增益的平坦化。     

超长距离光纤布拉格光栅传感系统

提出了基于可调激光器和声光脉冲调制的光纤布拉格光栅(FBG)传感系统,同时利用掺铒光纤放大器(EDFA)和拉曼放大相结合的放大方案大幅度提高了光纤布拉格光栅传感系统的传输距离,达到了300 km的超长距离传感.该系统通过前端的EDFA和末端的拉曼泵浦光源来补偿光纤布拉格光栅反射的光功率.系统在低于275 km长度时获得...     

光纤喇曼放大器的实验研究

为了满足密集波分复用技术发展的需要，提出了用40nm的分布喇曼放大器实现低噪声、宽带放大的方案，用光谱分析仪测量了单模光纤的自发喇曼散射谱，实验研究了喇曼放大器的增益、噪声指数和饱和状态下的功率转换效率特性，开关增益大于8．5dB，等效噪声指数小于-0．3dB．     

基于光子晶体光纤的布里渊光纤激光器

为提高普通布里渊激光器的输出功率和激光效率，提出一种基于小纤芯光子晶体光纤(PCF)的环形腔布里渊光纤激光器.在环路中加入了掺铒光纤放大器和光滤波器，抵消了光纤环路的损耗，削减了掺铒光纤的受激辐射.实验结果表明，应用该激光器只需25 m的小纤芯PCF就可实现稳定的布里渊激光输出，并且输出激光的主要能量来源是环中的掺铒光纤放大器.与普通单模光纤相比，小纤芯PCF具有非线性效应强、布里渊增益大的特点，适合作为布里渊光纤激光器的增益介质.     

光子晶体光纤超连续谱光源

介绍该课题组近两年在光子晶体光纤超连续谱方面的主要研究成果,包括基于连续波泵浦研制全光纤化超连续谱源,利用级联一段高非线性正常色散光纤,通过光纤的受激拉曼散射效应实现超连续谱的平坦化;基于皮秒锁模光纤激光器实现全光纤化5 W输出超连续谱源;拉制一段145 m的锥形光子晶体光纤,利用自制的纳秒光纤激光器与锥形光子晶体光纤熔接,制备输出功率2.2 W的宽带超连续谱源;利用自制的网状光子晶体光纤和全固态光子带隙光纤,分别研究亚微米薄壁上偏振相关的超连续谱产生,以及基于四波混频效应产生的超连续谱.     

光纤拉曼放大器中的前向自发拉曼散射噪声

本文提出了光纤拉曼放大器中的前向自发拉曼散射噪声的数学描述及其机理,并从实验上得到了前向自发拉曼散射噪声的光谱,前向自发拉曼散射光强不但与输出端的泵浦光的强度和线型有关,还与自发发射光谱在光纤中的传输特性有关.     

光纤中的受激喇曼散射与放大

本文阐述了受激喇曼放大的基本原理以及光纤传输中前向喇曼放大的分析计算方法,并着重介绍利用 Nd:YAG 激光器,在多模及单模光纤中进行的受激喇曼散射实验和喇曼放大实验.在这些实验中,得到了5级喇曼散射光谱,并实现了用光泵浦的方法放大弱光信号.利用受激喇曼散射研制光纤激光器以获得新频率的、可调谐的相干幅射,以及实现光纤中弱光信号的喇曼放大是很有前途的新方法.