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。     

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。     

10 GHz窄线宽线偏振近单模全光纤激光器实现5 kW功率输出

<正>受非线性效应、热透镜、材料损伤等各种物理因素的限制，近单模光纤激光器的输出功率存在物理极限。自美国IPG公司2013年实现20 kW近单模光纤激光输出以来，功率没有进一步提升。多路近单模光纤激光的相干合成是提升其输出功率的一种有效技术途径，同时还可以保持良好的光束质量。但相干合成系统需要单路光纤激光具有窄线宽、线偏振、高光束质量等特性。除了相干合成外，窄线宽线偏振激光器还在光谱合成、非线性频率变换、引力波测量等领域中具有重要应用。     

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。     

窄线宽光纤激光突破4kW近单模输出

高功率窄线宽光纤激光在光束合成、非线性频率变换等领域具有重要应用需求,近年来成为激光技术领域的研究热点。目前,已有多家单位报道了千瓦级(以上)量级的高功率窄线宽光纤激光。2016年,笔者所在课题组基于半导体直接泵浦方案实现了1.89 k W线偏振窄线宽激光输出,偏振消光比为15.5 d B,3 d B激光线宽为45 GHz;2018年,课题组又基于同带泵浦方案实现了3.94 k W高功率窄线宽激光输出.     

线偏振窄线宽单模光纤放大器实现2.43kW的功率输出

正线偏振窄线宽光纤放大器在非线性频率变换和光束合成等领域有着广泛的应用。目前,非线偏振窄线宽光纤放大器的输出功率已经突破4kW。相对于非保偏光纤,保偏光纤中的非线性效应更强,且模式不稳定(TMI)阈值更低。因此,基于保偏光纤实现高功率全光纤线偏振激光输出更具挑战性。目前,国际上公开报道的全光纤线偏振窄线宽放大器的输出功率大多为1.5kW左右。2015年11月,国防科技大学利用三级级联相位调制方案,实现了1.89kW的线偏振窄线宽激光输出,但是由于TMI的存在,输出功率的进一步提升受到限制。     

高功率线偏振窄线宽光纤激光器TMI抑制

高功率线偏振窄线宽光纤激器在功率光谱合成、相干探测等方面具有广泛的应用前景。在高功率线偏振窄线宽光纤激光器中,模式不稳定(TMI)效应是限制其功率提升的主要因素之一。本文分析了TMI效应对高功率线偏振窄线宽光纤激光器输出功率的影响,提出了TMI效应的抑制方法。文章采用长波泵浦技术,输出功率100mW的单频激光器作为种子源,相位调制器将种子源线宽展宽至25GHz,经三级放大,最终实现了线宽25GHz、功率22 kW、中心波长1064nm、消光比98的线偏振窄线宽激光输出,光束质量M2x=12、M2y=121。分析了泵浦波长对TMI效应的影响:由于光线芯径较小(20μm),增益光纤对泵浦光吸收系数较高(18dB/m@976nm),纤芯温度较高,加上泵浦光量子亏损引入的热,导致纤芯折射率发生变化,较低功率下发生TMI效应,当泵浦波长向长波偏移时,泵浦光的量子亏损降低,同时泵浦吸收系数也降低,无论在光纤全长、还是单位长度上的热分布均减小,增大了TMI阈值,提升了线偏振窄线宽光纤激光器的输出功率。     

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。     

基于简单MOPA结构实现3.78kW全光纤窄线宽激光输出

<正>高功率窄线宽光纤激光器在非线性频率转换、光谱合成、相干合成等方面有着重要的应用前景。但与宽谱光纤激光器相比,在功率放大过程中,窄线宽光纤激光器的受激拉曼散射（SRS）、受激布里渊散射（SBS）以及横模不稳定（transverse mode instability,TMI）等非线性效应的阈值更低,这些效应的影响也更大。目前,窄线宽光纤激光功率放大主要有两种方案：单频相位调制种子放大和单级振荡器种子放大。单频相位调制种子放大结构中种子激光的时域特性及其在放大过程中的线宽保持较好,是目前的主流方案。     

锥形光纤在光纤传感和光纤激光器上的应用

介绍了近年来得到广泛研究的锥形光纤技术的发展现状,尤其是在光纤传感和光纤激光器上的应用.在光纤上直接拉制出的锥区可用于制作小型化、一体化、具有许多优良光学特性的光纤器件.锥形光纤按束腰直径和光纤拉锥区的长度比,可分为锐锥度光纤(锥区长度和锥区的束腰直径较接近)和缓锥度光纤(锥区的长度远远大于束腰的直径).锐锥度光纤可以制作Michelson或者Mach-Zehnder干涉仪可用来实现折射率传感器;同时它还可改变激光光斑的强度分布,获得平顶光斑输出.利用单模缓锥度光纤可以实现窄线宽可调谐滤波器;另外基于缓锥度光纤可以实现多模光纤至单模光纤的转换器.锥形光纤结构紧凑,制作简单、成本低,必将成为多种实用光纤器件的核心.     

基于光纤锥和多模渐变光纤的马赫-曾德尔干涉仪的传感特性研究

提出了一种基于光纤锥和纤芯失配光纤结构的马赫-曾德尔干涉(MZI)传感器。在距离单模光纤(SMF)锥25mm处熔接一段长30mm的多模渐变光纤(GI MMF),形成SMF-光纤锥-SMFGI MMF-SMF结构。其中,光纤锥起到增加包层模能量的作用,GI MMF为传感臂。传感器外界环境温度、折射率及应力的改变都会使传感器的纤芯基模和包层模的光程差发生改变,从而引起传感器干涉谱发生变化,通过监测干涉谱的变化可以实现对外界物理量的测量。实验研究结果表明,当环境溶液温度在30~89℃范围内变化时,传感器的温度灵敏度为78.6pm/℃,线性度为0.997;环境溶液折射率在1.333~1.394变化范围内,传感器的折射率灵敏度为81.48dB/RIU,线性度为0.989;轴向应变在0~933.3με变化范围内,传感器的应变灵敏度为0.33×10-2 dB/με,线性度为0.998。本文传感器可以实现多个物理量的同时区分测量。     

Multi-wavelength fiber laser based on broadband fiber grating and HiBi fiber loop mirror

Multi-wavelength fiber lasers have attracted a lot of in- terest in recent years because of its potential applications in optical wavelength division multiplexing (WDM) systems, fiber sensors, and other fiber-optics instruments. Because of the predominant…     

基于稀土掺杂石英光纤的单频光纤激光器

系统研究了利用稀土掺杂的石英光纤作为激光增益介质来实现分布布拉格反射式单频光纤激光器。实验中,分别将掺有Nd3+、Yb3+、Er3+/Yb3+和Tm3+的商用石英光纤,熔接到激光谐振腔中,实现了基于石英玻璃光纤的光纤激光系统在多波段的单纵模运转。对各光纤激光器的单频特性进行了研究,其中,激光器线宽可达几十千赫（特别是对于Er3+/Yb3+共掺光纤激光器,其线宽窄于7 kHz）,激光系统的强度噪声接近于散粒噪声极限,实验中获得了激光波长由930 nm到2m的单频光纤激光器。实验结果证明:商用的稀土掺杂石英光纤能够作为有效的增益介质来实现短腔型单频光纤激光器。同时,通过进一步的系统集成,基于稀土掺杂石英光纤的单频光纤激光器将得到更加广泛的应用。     

L-band multiwavelength fiber laser using an elliptical fiber

In this letter, we propose and demonstrate a simple and novel technique to get multiwavelength operation in the L-band by using an elliptical core erbium-doped fiber. The principle of operation is based on the anisotropic gain effect in a polarization-maintaining fiber. Stable multiwavelength operation is achieved at room temperatures. The lasing lines may be controlled by a polarization controller     

Novel fiber sensor arrays using erbium-doped fiber amplifiers

We examine the signal-to-noise ratio (SNR) performance of a novel type of time domain multiplexed sensor arrays in which low gain (1-10 dB) fiber amplifiers are incorporated to compensate for splitting losses between sensors. The system noise figure for passive and amplified sensor arrays is presented, along with expressions to optimize the array parameters for high SNRs. We show that practical amplified sensor arrays exhibit low system noise figures that allow much larger arrays (hundreds of sensors) than passive arrays     

Single-mode hole-assisted fiber as a bending-loss insensitive fiber

We investigate the design and characteristics of a single-mode and low bending loss HAF both numerically and experimentally. An air filling fraction S is introduced to enable us to design a HAF with desired characteristics more easily. We show that we can expect to realize a single-mode and low bending loss HAF by considering the S dependence of the bending loss α_b and cutoff wavelength λ_c as well as their relative index difference Δ dependence. We also show that the mode-field diameter (MFD) and chromatic dispersion characteristics of the single-mode and low bending loss HAF can be tailored by optimizing the distance between the core and the air holes. We also investigate the usefulness of the fabricated HAFs taking the directly modulated transmission and multipath interference (MPI) characteristics into consideration. We show that the designed HAF has sufficient applicability to both analog and digital transmission systems. Our results reveal that the single-mode and low bending loss HAF is beneficial in terms of developing a future fiber to the home (FTTH) network as well as for realizing flexible optical wiring.     

气压式光缆系统

气压式光缆系统是解决光纤接入最用户的方案之一,本文介绍了构成该系统的传送理论及主要部件的结构,并对其机械特性、压送特性、传输特性等进行了比较全面的分析与评估。     

光子晶体光纤在光纤激光器中的应用

光子晶体光纤研究的日趋成熟不仅拓宽了光纤激光器的研究领域,同时也推动了激光技术的发展.文章针对大模面积双包层光子晶体光纤的特点,探讨了其在光纤激光器中的应用,重点阐述了光子晶体光纤在光纤激光器应用领域的最新进展,并介绍了燕山大学在制备稀土掺杂光子晶体光纤上所取得的最新成果.     

Switchable and tunable multiwavelength erbium-doped fiber laser with fiber Bragg gratings and photonic crystal fiber

We propose and report on a novel multiwavelength-switchable-tunable erbium-doped fiber laser with excellent stability and uniformity based on four-wave mixing (FWM) in a highly nonlinear photonic crystal fiber. By adjusting the attenuators, the single, dual, or triple wavelengths can be lasing simultaneously. Under the influence of the FWM, the spectrum is stabilized and the uniformity is less than 0.6 dB.