少模光纤放大器中的准静态模式不稳定实验研究

模式不稳定发现于2010年,是影响高功率光纤激光器功率提升的重要限制因素.当前模式不稳定主要有两类,一类是动态模式不稳定,一类是准静态模式不稳定.本文研究了纤芯/内包层直径为25μm/400μm掺镱双包层光纤后向抽运放大器中的模式不稳定效应.通过对功率、光束质量和时域数据的分析,发现在该放大器中出现了准静态模式不稳定的现象,随着抽运功率的增加,放大器输出光束质量逐步退化,而时域上没有发现明显的动态模式不稳定特性.实验上对不同种子功率下放大器的输出特性进行研究,结果表明,通过提高种子激光功率可以较为有效地提高模式不稳定阈值,在种子功率为528 W时,当输出功率大于3000 W,输出激光效率没有明显下降.     

高功率光纤放大器中模式不稳定阈值功率的理论研究

模式不稳定指高功率光纤激光随着输出功率提升发生的模式突变,会导致光束质量下降。基于模式耦合模型,对量子噪声、强度噪声等引起的高功率光纤激光模式不稳定出现的阈值功率进行了详细分析和计算。研究结果表明,采用级联抽运方案和部分掺杂方式可以使模式不稳定性出现的阈值功率提高2~5倍。增加初始注入信号光功率、抑制注入信号激光的强度噪声和高阶模成分也可以提高阈值功率。研究结果为高功率光纤激光系统的设计提供一定参考。     

双端泵浦5 kW环形光束光纤激光振荡器

基于双端泵浦结构搭建了光纤激光振荡器，采用25/400μm（纤芯直径为25μm,包层直径为400μm）大模场双包层掺镱光纤作为增益介质，采用波长为915 nm的半导体激光器作为泵浦源。通过光纤选型、合理配比前后向泵浦功率及模式控制，实现了对光纤受激拉曼效应及动态模式不稳定效应的抑制。该光纤激光振荡器在泵浦功率为7.5 kW下的最大输出功率达到5.08 kW,光光转换效率为68%,受激拉曼抑制比为37 dB,其时域特性稳定，没有出现动态模式不稳定现象。最大输出功率下，出射激光在X方向和Y方向的光束质量（M²）测量结果分别为2.483和2.514,远场光斑形态为环形，环状区域与中心区域的光强之比为1.6。在最大输出功率下该光纤激光振荡器连续工作1 h无异常，各部位光纤器件的温度均处于可接受范围。     

国产纺锤形渐变掺镱光纤实现6 kW宽谱激光输出

高功率高光束质量光纤激光器在工业加工等领域有着广泛的应用,然而光纤中的非线性效应和模式不稳定效应限制着高光束质量光纤激光器的功率提升,采用新型结构大模场增益光纤在同时抑制非线性效应和模式不稳定效应方面具有较大潜力。报道了基于单位自研的纺锤形渐变掺镱光纤激光成功实现6 kW功率、高光束质量激光输出。激光器采用主振荡功率放大结构,放大级采用双向981 nm泵浦纺锤形渐变掺镱光纤,在总泵浦功率为7.68 kW时,输出功率达到6.02 kW,光束质量M2因子约为1.9。通过进一步优化纺锤形掺镱光纤制作工艺及结构参数,有望实现更高功率、近单模光束质量的光纤激光输出。     

高功率全光纤结构主振荡功率放大器中模式不稳定现象的实验研究

模式不稳定指高功率光纤激光随着输出功率提升发生的模式突变,会导致光束质量下降,限制了衍射极限光束质量光纤激光输出功率的提升,本文研究了全光纤结构主振荡功率放大器中的模式不稳定现象,结果表明,全光纤结构主振荡功率放大器中的模式不稳定现象会导致放大器斜率效率下降;理论计算表明,对于20/400阶跃折射率大模场双包层掺镱光纤,注入种子功率在百瓦左右时,模式不稳定发生的阈值功率在1kW左右:热效应是模式不稳定现象发生的根源。     

单模热致超大模场掺镱光纤放大器的数值研究

非线性效应是限制光纤激光器功率提升的重要限制因素,而超大模场光纤对于非线性效应的抑制具有重要意义.热致超大模场光纤是一种新型超大模场光纤,其利用热透镜效应实现低数值孔径波导结构,从而在保证光束质量的前提下实现超大模场输出.不过,现阶段对于热致超大模场光纤激光器的研究较为有限.本文提出了单模超大模场掺镱光纤放大器的速率方程模型,该模型由稳态速率方程和热传导方程组成.利用该模型,对前向抽运单模热致超大模场光纤放大器进行了数值研究.研究表明:信号光模场直径随着信号光功率的增加而增加,这体现了热致超大模场光纤在非线性效应抑制方面的优势.研究还揭示了最佳光纤长度及其产生的物理机制,发现最佳光纤长度与注入抽运光功率有关,其随着注入抽运光功率的增加而减小;不过,当注入抽运光功率足够大时,最佳光纤长度随注入抽运光功率变化不大.此外,还对输出光场的模式进行了探讨,验证了其在保证超大模场输出的同时,实现高斜率效率输出的可行性.相关研究对于热致超大模场光纤放大器的设计具有指导意义.     

国产纺锤形增益光纤主振荡功率放大器实现5 kW输出

设计了纤芯直径小—大—小变化的“纺锤形”增益光纤,利用该光纤可均衡模式不稳定和受激拉曼散射抑制的矛盾,提升光纤激光器的输出功率。基于自研的纺锤形增益光纤搭建了主振荡功率放大器（MOPA）,实现了5 kW的功率输出,放大器光光效率为66.6%,拉曼散射抑制比大于45 dB,M2因子约2.0。通过优化光纤的设计,可以提升激光器的光束质量和效率。     

基于M型掺镱光纤的近单模2 kW光纤放大器

模式不稳定效应和非线性效应已经成为高功率光纤激光器中限制输出功率和光束质量进一步提升的主要障碍.采用改进的化学气相沉积工艺结合溶液掺杂技术制备25/400μm的M型掺镱双包层光纤,纤芯和中间凹陷区域的数值孔径分别为0.054和0.025.基于该光纤搭建976 nm双向泵浦全光纤结构放大器.在泵浦光功率为3283 W时,获得2285 W中心波长为1080 nm的激光输出,3 dB线宽为3.01 nm,测量的光束质量因子为1.42,且未出现受激拉曼散射现象.这是目前基于M型掺镱光纤实现的最高输出功率,通过优化光纤结构参数实现功率进一步提升是有希望的.     

3.5 kW 1050 nm近单模全光纤激光放大器

基于后向泵浦结构搭建了1050 nm光纤激光放大器,将20/400μm的双包层大模场掺镱光纤作为增益光纤,采用976 nm稳波长半导体激光器作为泵浦源。通过优化增益光纤长度,对短波长光纤放大器中的放大自发辐射效应进行抑制。采取优化种子时序稳定性的方法提升受激拉曼散射效应的阈值,实现了最高3.5 kW的功率输出。在最高输出功率下：输出激光在X方向和Y方向的光束质量因子分别约为1.33和1.25,此时的3 dB带宽为4.07 nm,光光转换效率为86.3%;时域信号稳定,没有出现模式不稳定现象。     

高平均功率光纤激光技术基础:模式

从具有不同模式特性的光纤激光研究现状出发,指出模式是光纤激光特性的核心参数之一。通过算例给出模式与光束质量之间的关系,引出模式分解技术是准确知晓模式组分和光束质量的关键,介绍常见的模式分解技术。针对模式不稳定效应这一限制光纤激光功率提升的新现象,归纳总结了不同因素对模式不稳定效应产生阈值的影响,梳理了提高阈值的物理原理和实现方法。从高阶模抑制、特定高阶模式和结构光场输出等三个方面介绍了光纤激光模式控制的最新进展。     

单端泵浦光纤放大器获得4 kW单模窄谱激光输出

窄谱光纤激光器在光束合成等领域有着广泛的应用,然而模式不稳定效应的出现严重限制着窄谱光纤激光器的功率提升。提出并验证了采用新型981 nm稳波长泵浦方案,能够应用于窄谱激光放大并提升模式不稳定效应阈值,通过采用单端后向泵浦结构,将单模窄谱光纤放大器功率提至4 kW以上。实验中采用白噪声相位调制展宽单频激光作为窄谱种子,主放大级分别采用稳波长976 nm和981 nm两种泵浦源单端后向泵浦。在采用976 nm泵浦源泵浦时,窄谱激光最高放大至3.4 kW,出现典型的模式不稳定效应特征,功率提升受到限制。在采用981 nm泵浦源泵浦时,窄谱激光最高放大至4.05 kW,且并未出现模式不稳定效应,输出光束质量M2因子为1.3,进一步功率提升仅受限于泵浦功率。通过优化激光器设计、结合双向泵浦结构,有望实现更高功率的窄谱光纤激光输出。     

单模光纤激光极限功率的数值研究

对光纤激光极限功率的探索和其受限因素的分析, 有利于为大功率光纤激光器的发展提供理论依据和实验指导. 本文考虑热效应、光效应、非线性效应和抽运亮度等因素对光纤激光极限功率的影响, 分析了掺镱和掺铥光纤的极限功率和受限因素. 在此基础上, 结合激光在光纤中单模传输的条件, 计算了单模掺镱和掺铥光纤激光的极限功率. 计算结果表明, 在现有技术条件下, 使用常规的976 nm和793 nm激光二极管抽运, 单模掺镱和掺铥光纤激光的极限功率分别为4.2 kW和7.8 kW, 其中单模掺铥光纤激光的功率水平还远低于它的极限功率的原因是受抽运亮度的限制. 最后分析指出减小纤芯的数值孔径和改进少模光束的光束质量是提升单模光纤激光极限功率的重要途径.     

LD泵浦光纤激光放大器实现13 kW高光束质量输出

光纤耦合半导体激光器（LD）泵浦的光纤激光放大器具有体积小、功质比高、稳定性好等优点,在工业加工和军事国防等诸多领域都有着广泛且重要的应用。然而,受限于器件制作工艺水平及光纤中的受激拉曼效应和模式不稳定效应,LD泵浦的光纤激光放大器难以同时实现高功率及高亮度激光输出。为实现更高功率、更高亮度的光纤激光输出,需要结合现有的器件工艺水平并同时实现对放大器中的受激拉曼散射效应和模式不稳定效应的有效抑制。报道了基于单位自研大模场增益光纤成功实现13 kW功率、高光束质量激光输出。激光器采用主振荡功率放大结构,放大级采用单后向981 nm泵浦自研大模场增益光纤,在总泵浦功率为15 kW时,输出功率达到12.94 kW,光束质量M2因子约为2.85。通过进一步优化器件性能及光纤模式控制,有望实现更高功率、更高亮度的光纤激光输出。     

国产光纤实现同带抽运3000W激光输出

同带抽运是目前实现高功率光纤激光器的有效手段.本文基于同带抽运方式,以国产25/250μm掺镱双包层光纤为增益光纤,构建了全光纤化的主控振荡器功率放大器.实验中采用的国产光纤是中国电子科技集团公司第四十六研究所采用化学气相沉积结合气相-液相复合掺杂工艺制备的,其Yb~(3+)离子的分布更均匀,吸收截面更大,吸收系数更高.实验中,在种子光功率为67.8 W、抽运总功率为3511 W的条件下,实现了3079 W的激光输出,斜效率为85.9%,光束质量M~2约为2.14,3dB带宽为1.4nm,这是目前基于国产光纤同带抽运方式实现的最高功率.理论和实验结果表明国产光纤制备技术不断成熟,已经具备承受高功率输出的能力.继续提高抽运功率,优化增益光纤长度,改良散热方式,国产光纤有望实现更高功率的激光输出.     

简单MOPA结构窄线宽激光突破5 kW近单模输出

高功率窄线宽光纤激光器在非线性频率转换、光谱合成以及相干合成等领域有着重要的应用前景。本文基于自研的复合腔结构窄线宽振荡器作为种子,采用单级主振荡功率放大技术（MOPA）,实现了5 kW高效率的近单模窄谱激光输出。通过优化振荡器的时序特性和放大级结构,受激拉曼散射、光谱展宽和热致模式不稳定效应得到综合抑制。在最高功率时,信号光的3 dB和20 dB线宽分别为0.48 nm和2.1 nm,放大器的斜率效率约为86.1%,拉曼抑制比为28.3 dB,光束质量M2约1.35。本研究工作对于高功率窄线宽光纤激光的发展和研究具有重要的指导意义。     

双端输出全光纤振荡器突破8 kW高功率输出

双端输出光纤激光振荡器可以通过一个单谐振腔结构实现两路激光输出,能够减少高功率光纤激光系统的体积和成本,在工业领域有着很好的应用前景。基于双端泵浦谐振腔结构,采用稳波长981 nm光纤耦合半导体激光器（LD）泵浦纤芯/包层直径为30/400μm的双包层掺镱光纤,首次实现了总功率大于8 kW的双端输出光纤激光振荡器。在总最高泵浦功率为10.951 kW时,A端输出功率为3769 W, B端输出功率为4400 W,总功率为8169 W,激光器光-光转换效率74.6%,A、B端激光光束质量M2因子分别约2.13和2.36。在最高输出功率时,两端输出激光中均未观察到动态模式不稳定效应（TMI）和受激拉曼散射（SRS）,通过进一步增加泵浦功率,有望实现更高功率的激光输出。     

780W全光纤窄线宽光纤激光器

高功率窄线宽光纤激光器在相干探测、功率光谱合成等方面具有广泛的应用前景.分析了高功率窄线宽光纤激光器中受激布里渊散射效应的抑制方法,以及正弦相位调制光谱展宽理论.采用正弦相位调制技术将单频激光器的线宽展宽至2.9 GHz,通过三级放大结构对输出功率为50 mW的窄线宽种子源进行放大,实现了中心波长1064.34 nm、线宽2.9 GHz、最大功率780 W的激光输出,光—光转换效率79%,光束质量M2x=1.44,M2y=1.43.分析了相位调制前后输出功率提高的原因,认为正弦相位调制增加的纵模降低了光纤中的功率谱密度,提高了输出激光的受激布里渊散射阈值,促使相位调制后的输出功率大幅提高.该激光器的输出功率仅受限于抽运功率,进一步提高抽运功率,有望实现更高功率的窄线宽光纤激光输出.     

用于10 kW级高光束质量激光输出的国产部分掺杂光纤北大核心CSCD

当前光纤激光功率提升受限于模式不稳定效应及非线性效应,为了克服上述功率提升限制因素,自主设计并研制了大模场部分掺杂光纤。最终,采用自研部分掺杂光纤及后向级联泵浦方案,成功实现了10.1 kW的光纤激光输出,对应的光束质量因子(M2)为2.16。     

离轴抽运对Nd:YAG激光器振荡模式影响的研究

以激光二极管端面抽运固体激光器为研究对象,通过实验研究了离轴抽运条件下,离轴量的大小对Nd:YAG激光器的振荡光阈值、振荡模式、光束质量以及激光器的斜效率的影响,分析了在同一抽运位置改变LD电流时输出光位置及模式的变化情况.实验结果表明,当抽运光离轴量增大时,斜效率增大,但输出光依次出现从低阶模到高阶模的变化,激光器的振荡阈值升高,光束质量变差;在同一抽运位置增大LD电流时,输出光从高阶模向低阶模转化,光斑中心向此时的抽运中心轴靠拢.     

长波段半导体激光泵浦光纤激光器实现2 kW功率输出

半导体激光（LD）泵浦的高功率光纤激光器具有效率高、体积小、重量轻、稳定性好等优点,在工业加工等诸多领域都有着广泛的应用。为了提高泵浦光吸收率,传统光纤激光器常用915 nm和976 nm波段的LD作为激光的泵浦源。在该类LD泵浦的光纤激光器中,由于量子亏损和泵浦吸收系数相对较高,光纤激光器的热致模式不稳定（TMI）阈值相对较低。为了提高量子效率和潜在的TMI阈值,提出采用大于1 010 nm波段的LD直接泵浦光纤激光器,产生高量子效率激光。搭建了振荡放大一体化的全光纤激光器,采用总泵浦功率为2.56 kW的1 010 nm波段LD泵浦,首次获得输出功率2.05 kW、光束质量M2约1.7的激光。后续将通过进一步增大泵浦功率、优化光纤特性以实现更高功率、更优光束质量的光纤激光输出。