基于中心掺杂的3.5 kW窄线宽光纤激光器

正目前,进一步提升光纤激光器的输出功率的有效方案是光束合成,主要包括相干合成和光谱合成。而光束合成要求激光子束具有窄线宽、高功率、高光束质量的特性。随着输出功率的提升,窄线宽光纤激光器受到受激布里渊散射(SBS)、受激拉曼散射(SRS)和模式不稳定性(MI)的限制越来越明显。     

5 kW窄线宽全纤化单模光纤放大器

正光谱合成、相干合成等光束合成技术是目前突破单纤功率限制、提升光纤激光输出功率的有效途径,其中高光束质量、高功率窄线宽光纤激光作为合成的子束一直是国内外研究的热点。目前,窄线宽光纤激光器输出功率的提升受限于受激布里渊散射(SBS)、受激拉曼散射(SRS)和模式不稳定性(MI)等非线性效应,5 kW以上的近衍射极限窄线宽光纤激光的输出在国内尚未有报道。2020年12月,     

高功率光子晶体光纤激光器研究进展

光子晶体光纤的出现,为高功率光纤激光器的关键技术-大模区光纤的实现提供了新途径。基于铒镱共掺磷酸盐材料的包层掺杂新结构出现,为实现更加紧凑的光纤激光器提供了可能。常规高功率光纤激光器中的抽运技术,谐振腔技术和相干组束技术也在不断融入高功率光子晶体光纤激光器。高功率光子晶体光纤激光器的调Q和锁模输出也已经实现。     

国产锥形光纤实现4.2kW近单模窄线宽激光

<正>近年来,高功率窄线宽光纤激光在非线性频率变换、光束合成等领域有广泛的应用需求。受限于非线性效应[受激拉曼散射（SRS）和受激布里渊散射（SBS）]和模式不稳定（TMI）效应等,目前基于常规商用大模场光纤实现了最高5kW级的窄线宽掺镱光纤激光输出。纤芯直径沿光纤纵向变化的锥形光纤逐渐被用于高功率光纤激光器中,在抑制非线性效应、保持光束质量等方面展现了优势。目前,基于锥形光纤实现了最高5kW级的宽谱光纤激光输出。     

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。     

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。     

双芯光子晶体光纤相干合成的研究

光纤激光器相干组束是目前实现高功率光纤激光系统的重要技术途径,利用本文的方法得到了双包层结构的双芯光子晶体光纤的相干合成输出,纤芯直径为2.05μm,空气孔间距Λ为2.07μm,空气孔直径d为1.44μm,测得了明显的相干条纹,光纤输出达30μW,这一成果为多芯光子晶体光纤激光器的发展开拓了新的方向.     

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。     

高功率双包层光纤激光器的受激拉曼散射

受激拉曼散射(SRS)会限制光纤激光器功率的提高。利用光纤激光器的功率传输方程,理论分析了高功率掺Yb3 双包层光纤激光器中的受激拉曼散射效应,得到了纤芯直径、光纤长度、掺杂浓度以及抽运方式对光纤激光器特性的影响。通过分析,得到了增大纤芯直径、减小光纤长度、降低掺杂浓度以及合理的抽运方式可以有效地减小拉曼散射的影响。利用已有的实验结果对理论模型进行了对比,证明了理论模型的正确性。所得的结果对设计实现高功率双包层光纤激光器提供了理论依据。     

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。     

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。     

圆环阵列多芯双包层激光相干合束的研究

由于受到纤芯面积、非线性效应等因素的限制,单芯光纤激光器的输出功率极限值为千瓦级.欲获得上百千瓦和兆瓦级的输出功率,必须借助合束技术.多芯双包层光纤激光相干合束法以其实验装置简单、自组织相干不需外界调制、泵浦光耦合效率高、纤芯阵列排列灵活等特点成为相干组束技术中一种比较有前途的方案.基于衍射理论推导出多芯双包层光纤激光器的远场相干光光强理论模型,在此基础之上,分析了纤芯数目、相邻纤芯轴间距离、纤芯直径、波长对合束的影响.分析结果表明:通过增加纤芯数目、减小纤芯间距离、在保证单模特性的前提下增大纤芯芯径可以有效提高合束效果.研究结果为优化相干合束方案、研制出高性能的多芯合束双包层光纤提供了参考.     

大功率光纤激光器相干组束的研究

随着光纤激光器的激光输出功率及光束质量的不断提高,大功率光纤激光器的应用领域不断拓展.组束技术是提高光纤激光器输出功率的有效方法.分析了非相干组束和相干组束的理论,并进行数值仿真.综述相干组束技术的最新发展,对光纤激光器相干组束的研究具有参考价值.     

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%.     

全光纤结构超短脉冲超连续谱的产生及其特性研究

超连续光谱以其光谱范围宽、平坦度好、空间相干度高和可实现的较高功率,被广泛应用于相干成像技术、光谱分析、干涉测量等诸多领域.理论上超连续光谱可由超短脉冲通过高非线性介质来实现,期间伴随着自相位调制(SPM)、受激拉曼散射(SRS)、四波混频效应(FWM).随着光纤技术的发展,利用峰值功率高、光光转换效率高、体积小、结构紧凑的掺Yb超短脉冲光纤激光器作为泵浦源,高非线性的光子晶体光纤作为非线性介质来产生超连续光谱.采用主振荡功率放大结构(MOPA),自行搭建了全光纤锁模脉冲放大器,并通过熔接的方式将其耦合进入长为10 m、零色散点为1 040 nm的光子晶体光纤,在对熔接过程中放电时间、放电间隔、熔接损耗等参数进行优化后,获得了8.14 W的超连续光谱.     

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。     

百皮秒激光脉冲的全光纤放大及应用

为了得到高单脉冲能量的百皮秒激光脉冲,采用自制的被动锁模掺镱光纤激光器获得了100ps的激光脉冲输出,在此基础上采用两级全光纤结构主振荡功率放大器进行功率放大,其中预放大级采用7m纤芯的双包层掺镱光纤做增益介质,得到平均功率160mW的稳定脉冲输出;主放大级采用20m纤芯的双包层掺镱光纤做增益介质,在抽运功率逐步增加到35.37W时,输出功率达到了16.60W,相应的单脉冲能量为1.63J,峰值功率为16.61kW。此外,主放大级输出的激光通过自制的模场转换器与光子晶体光纤(纤芯4.6m)成功熔接,得到了2.85W的白光超连续光谱,光谱波长覆盖了600nm~1700nm的检测范围。结果表明,此激光可用于超连续谱光源的产生。     

工业用大功率固体激光加工系统

报道了一种符合工业应用的国产化大功率固体激光加工系统.大功率连续Nd:YAG激光器采用对称放置方式四棒串接谐振腔,得到大于2100 W的稳定功率输出,光束参数积24 mm·mard,系统总光电转换效率达到3.5%;激光器的输出激光采用芯径600 μm的光纤传输.对激光加工系统的关键问题进行了分析,包括大功率固体激光器在保证光束质量的条件下大功率输出、高效率光纤耦合输出、适应加工要求的控制系统等.研制的系统在实际应用中表明:加工系统稳定、可靠,操作方便,可与机械手、机床等外设联接,满足工业应用的要求.