LD泵浦高亮度光纤激光器:设计、仿真与实现(特邀)EI北大核心CSCD

LD泵浦掺镱光纤激光器具有低成本、高效率、高光束质量等优点,在工业、科研、国防等领域有着广泛的应用。在大部分实际应用中,由功率和光束质量决定的亮度是影响光纤激光器实际作用性能的核心指标。受到非线性效应(尤其是受激拉曼散射)和模式不稳定效应的限制,当前高亮度掺镱光纤激光器输出功率提升遭遇了明显的技术瓶颈。为了抑制非线性效应和模式不稳定效应,在传统方法的基础上,提出了变纤芯直径光纤和优化泵浦波长等成体系的方法以提升光纤激光器的输出功率;为了有效提高对光纤激光器的设计研发能力,提出并开发了具有自主知识产权的光纤激光仿真软件SeeFiberLaser。首先,介绍了影响宽谱高功率掺镱光纤激光器亮度提升的主要限制因素,给出了各个限制因素的抑制方法;其次,利用自研光纤激光仿真软件SeeFiberLaser对提升光纤激光器功率的方法进行优化设计,并对工业常用的振荡器和高亮度光纤激光放大器进行仿真优化;然后,介绍课题组采用后向泵浦、变纤芯直径光纤和优化泵浦波长等方法提升激光功率,实现的6~10 kW高亮度功率光纤激光器;最后,对更高亮度光纤激光器的技术方案进行讨论和展望,提出了无源器件集成化、增益传能光纤一体化等思路,提出了基于变纤芯直径增益传能一体化光纤和集成化无源器件的新型高功率近单模光纤激光器技术方案。     

单模掺铒光纤激光器极限输出功率的数值研究

通过对掺铒光纤激光器极限输出功率的受限因素分析,在考虑非线性效应、热效应、光损伤等因素的情况下,结合掺铒光纤激光器的单模条件,计算得到单模掺铒光纤激光在1 570 nm 工作波段下的极限功率为6.34kW。同时计算了在少模条件下掺铒光纤激光器的极限输出功率为53.39 kW。还分析了单频情况下掺铒光纤激光器的极限输出功率,结果表明:在绝对单频的条件下,掺铒光纤激光器的极限输出功率为245W。并重点对实际中可行的提升输出极限功率的改善方法进行了分析,结果表明:降低纤芯数值孔径以及提升少模光束运转下的光束质量是提升单模条件下掺铒光纤激光器极限输出功率的重要手段。     

全光纤激光振荡器输出功率突破7kW

高功率光纤激光振荡器具有结构紧凑、抗回光能力强、稳定性好等优点,在工业加工、材料处理等领域有广泛的应用。近年来,随着泵浦源亮度、后向合束器以及光纤光栅等器件工艺的突破,光纤激光振荡器的输出功率得到了稳步提升。2019年和2020年初,国防科技大学在全光纤结构振荡器方面先后突破5.2k W和6k W。2020年日本藤仓公司也报道了输出功率为8k W的近单模光纤振荡器。     

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。     

全光纤激光振荡器输出功率突破6 kW

高功率光纤激光振荡器系统结构和控制逻辑简单、性能稳定可靠,在工业加工领域有着广泛的应用。2018年以来,光纤振荡器的输出功率得到了极大的提升。基于空间耦合结构,德国Laserline公司于2019年2月报道了输出功率为17 kW的光纤激光振荡器。利用全光纤结构,日本藤仓公司与德国耶拿大学于2018年分别报道了输出功率为5 kW的全光纤振荡器;国内国防科技大学也于2018年1月实现了全光纤激光振荡器5.2 kW的功率输出。     

全国产化单纤高功率光纤激光器的研究

报道了采用国产双包层掺镱光纤搭建的高功率光纤激光器。此光纤激光器采用中国电子科技集团公司第四十六研究所最新研制的20/400双包层掺镱光纤,激光器采用谐振腔振荡方式输出,激光器中心波长为1080 nm,最高输出激光功率为758 W,输出光斑直径6~8 mm,接近准单模输出,光束β因子为1.3。电光转换效率36.7%,光-光转换效率71%,经过32 h的满功率激光输出,平均输出功率波动范围小于2%。     

高功率全光纤放大器的高阶模激发阈值特性研究

在基于大模场面积的高功率光纤放大器中,随着放大激光功率的提升而出现的高阶模激发现象,将会导致放大激光的光束质量严重下降。以光纤模式的弯曲损耗特性为基础,研究了光纤弯曲半径对高功率全光纤放大器高阶模激发阈值特性的影响。搭建了掺镱全光纤窄线宽高功率主振荡放大系统,设计了不同弯曲半径的水冷光纤盘,进行了相应对比实验。通过优化光纤盘半径,成功抑制了高功率光纤放大器中的高阶模激发,得到了千瓦量级的近单模激光输出,在输出功率为1.31 k W时光束质量因子M2约为1.4。     

大模场面积掺镱微结构光纤的制备与激光性能（英文）

针对高功率光纤激光器在实际应用过程中所面临的高效耦合及激光输出质量问题,自行设计了大模场微结构光纤的波导结构,采用集束拉丝技术制备了纤芯直径41μm、内包层数值孔径0.62、纤芯数值孔径0.05、有效模场面积约530μm2的掺镱微结构光纤。在抽运功率为35.0 W的条件下,获得的单模激光输出功率为19.1 W,斜率效率为55.2%,光束质量因子M2小于1.01。     

双向同带泵浦光纤激光实现大于6 kW的近单模输出

高功率光纤激光器具有电光效率高、光束质量好、结构紧凑、可柔性操作等特点,已经在多个领域得到广泛应用.同带泵浦具有泵浦亮度高、热管理方便等优势,是实现高功率高光束质量光纤激光器的有效途径.2010年,IPG公司利用同带泵浦技术实现了10 kW单模光纤激光输出,并于2012年进一步将功率提升至20 kW.自此同带泵浦成为国内外高功率光纤激光领域的研究热点.     

采用国产掺镱双包层光纤的光纤激光器连续输出功率突破700 W

高功率光纤激光器与传统固体激光器相比具有转换效率高、光束质量好、散热方便等优势,是国际上激光技术领域的研究热点。近几年来,随着单纤输出功率的不断攀升,高功率光纤激光器的应用前景日益看好。高性能双包层光纤一直是制约我国高功率光纤激光研究发展的瓶颈之一。近一年来,清华大学精密仪器系光子与电子学研究中心针对国产掺镱双包层光纤进行了多次反复实验,并与武汉烽火通信科技有限公司密切合作,改进光纤制作工艺,研制出具有良好光学和机械性能的新型大芯径掺镱双包层光纤。我们使用的新型掺镱双包层光纤具有直径600μm的D型内包层,…     

高功率GTWave光纤激光器研究进展

高功率GTWave光纤激光器是目前光纤激光器研究的一个热点。介绍了GTWave光纤的结构,并回顾了国内外高功率GTWave光纤激光器的研究成果,可以看出,国内外GTWave光纤激光器的发展极其迅猛,其功率扩展能力非常强、结构设计非常灵活,输出功率远高于其他光纤激光器;同时,对比分析了高功率GTWave光纤激光器的特点和优势,并对今后的研究进行了展望。     

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。     

980nm波段连续光纤激光器的研究进展

980nm波段掺镱光纤激光器在高亮度抽运源和蓝绿光源方面具有广泛的应用前景。首先介绍了980nm波段连续光纤激光器的研究价值、研究难点。然后,介绍了国内外研究机构在980nm波段连续光纤激光器和放大器方面的研究进展和存在的问题。最后对980nm波段连续光纤激光器和放大器未来发展方向进行探讨。     

平均功率近2 W的被动锁模皮秒掺镱光纤激光器

报道了一个三级主振荡功率放大(MOPA)结构的瓦级皮秒光纤激光器.第一级利用半导体可饱和吸收镜(SESAM)和光纤光栅组成线性腔,构建了一个低功率的被动锁模掺Yb3+光纤激光器,其最大平均输出功率为9.2 mW,作为整个激光器的种子源;第二级采用单模掺镱光纤放大器对种子光进行预放大,得到108 mW平均输出功率;第三级采用带树状耦合器的双包层掺镱光纤放大器进行功率放大,获得了1.9 W平均输出功率.得到的脉冲脉宽36 ps,中心波长1064 nm,重复频率29.6 MHz,峰值功率1.8 kW,相应的单脉冲能量为61 nJ.实验中观察到种子源输出光谱中有一个凹陷,这是由于光纤光栅反射率过高并且带宽较窄引起的.     

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。     

基于大模面积掺Yb光纤的100W种子光主振荡器功率放大技术

演示了一种基于大模面积掺Yb3+离子的全光纤放大器系统,该系统采用975 nm泵浦。系统是利用泵浦与Yb3+离子有源光纤相互作用产生信号源,光源为半导体激光放大的单频种子。通过优化系统,合理设计搭建光学器件,控制光束逆传输,减少非线性光学的干扰。100 W信号源作用于系统上,采用多级掺镱光放大的主振荡器功率放大器（MOPA）,最大输出3.2 kW连续激光。平均光-光转化效率为78.26%。光束质量Mx21.657,My21.735。输出稳定性小于2%。系统连续信号放大输出光具有广泛的应用范围。掺Yb3+离子的全光纤放大主要用于激光检测、工业测量技术研究等领域。     

瓦级输出全光纤结构2.0μm掺铥皮秒脉冲光纤激光器

研制了高功率全光纤结构2μm波段掺铥皮秒脉冲光纤激光器。该激光器采用了主振荡功率放大(MOPA)结构设计,种子源采用790nm的多模半导体激光器作为抽运源、双包层掺铥光纤作为激光增益介质、半导体可饱和吸收镜(SESAM)作为锁模器件,从而实现了重复频率为10.4MHz的皮秒激光脉冲输出,其最大平均输出功率为15mW。种子源经过一级掺铥光纤放大器后,获得了1.1W高平均功率输出,相应的单脉冲能量高达105nJ,激光脉冲宽度为9ps,峰值功率为11.6kW。此时测得激光脉冲的中心波长为1963nm,3dB光谱带宽为0.5nm。     

2.0 W CW, diffraction-limited tapered amplifier with diode injection

The authors have demonstrated an all-semiconductor discrete-element 1.5 mm length tapered-amplifier MOPA (master oscillator power amplifier) emitting up to 2.0 W CW in a diffraction-limited pattern. The tapered single-pass amplifier MOPA exhibits a very high differential efficiency of 72% and a total energy conversion efficiency of 39% at 2.0 W CW output power. The high efficiency of the MOPA is attributed to the tapered amplifier design, which maximises extraction efficiency with a low-power injected beam of 25 mW from a single-mode laser diode. Such an MOPA will have applications where compact, high-efficiency, diffraction-limited sources of radiation are required, such as frequency doubling and free-space communication.<>     

1030nm高重复频率纳秒脉冲全光纤放大器

采用脉冲调制的单模带尾纤输出的半导体激光器作为种子源,以掺镱光纤为增益介质,采用主振荡功率放大(MOPA)结构,实现了1030nm全光纤脉冲激光放大。脉冲重复频率在50～100kHz范围内可调,在重复频率50kHz时,实现了脉冲宽度为6.53ns,峰值功率为16.08kW的脉冲输出,相应的斜率效率为69%,输出激光的中心波长在1029.49nm。实验还研究了不同重复频率下输出激光脉冲的时域特性。该激光器的输出波长在激光雷达探测器的光谱响应范围内,可作为激光雷达发射光源。