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。     

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。     

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。     

用于定向红外对抗的中波红外激光器技术

针对定向红外对抗系统对中波红外激光器在激光波段、激光功率、激光束散角、激光重复频率以及调制波形等方面的具体要求,通过对光泵半导体激光器、量子级联激光器和基于光学参量振荡的固体以及光纤激光器的技术特点与发展现状的分析比较,和对双折射相位匹配与准相位匹配的特点和最新发展动态的梳理,提出用高功率高光束质量的1 064 nm固体激光器或光纤激光器泵浦基于掺氧化镁的周期极化铌酸锂晶体（PPMgLN）的光学参量振荡器的中波红外激光器方案,其波段转换效率可达到16%以上。     

5 kW全光纤结构1018 nm激光合成

光纤激光同带抽运方案具有泵浦亮度高、量子亏损小等优势,有着巨大的功率提升潜力,是近年来国际上的研究热点。1018 nm光纤激光可作为高功率掺镱光纤激光器的高效同带抽运源,但是单个1018 nm光纤激光器输出功率有限,光束合成是突破这一局限的重要方案。基于19台单模1018 nm光纤激光器和一个191光纤功率合束器,搭建了一套全光纤结构激光合成系统,实现了5 kW的1018 nm合成激光输出。     

LD直接泵浦全光纤激光器输出功率突破20 kW

高功率光纤激光器具有高效率、小体积、低成本、抗回光能力强等突出优点,在工业加工等应用领域中具有明显的竞争优势。近期,国防科技大学基于光纤耦合半导体激光器(LD)直接泵浦的主振荡功率放大器(MOPA)实现了单纤20.27 kW的功率输出。放大器采用纯后向泵浦方案,中心波长1080 nm,光光效率达到84.8%,拉曼散射抑制比大于50 dB。通过优化光纤和器件的设计,可进一步提升激光器的功率和光束质量。     

1μm全光纤MOPA结构激光器输出特性研究

主振荡功率放大（main oscillation power amplification, MOPA）结构由于其光束质量良好和参数可调的优点,已成为高功率光纤激光器的主流设计之一。为了改善高功率掺镱光纤激光器（ytterbium-doped fiber laser, YDFL）的输出性能,提高系统的光-光转换效率,文中报道了一台基于915 nm泵浦激光器和双包层掺镱光纤（ytterbium-doped fiber, YDF）的MOPA结构全光纤高功率激光器。该高功率光纤激光器由电调制激光二极管（laser diode, LD）泵浦的种子激光器和掺镱光纤放大器（ytterbium-doped fiber amplifier, YDFA）组成。连续光（continuous wave, CW）工作模式下,激光种子源经过YDFA后,实现了中心波长为1 069.96 nm的激光输出,最大平均输出功率可达945.9 W,MOPA激光器整机的斜率效率高达74.12%,具有良好的稳健性。该研究方案对研制高功率MOPA光纤激光器具有参考意义。     

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。     

双端泵浦保偏光纤激光器

 以两台808 nm半导体激光器LD1和LD2为泵浦源,对光纤激光器双端泵浦进行了研究,获得了6.5 W的激光输出。实验分别测出了LD1和LD2半导体激光器单端泵浦和双端泵浦时的输出功率,对双端泵浦输出功率与单端泵浦功率之和进行了比较,利用双端泵浦提高了泵浦效率和输出激光功率。同时测量了输出激光的偏振度,通过计算得到双端泵浦输出激光的偏振度为0.5。     

基于光纤光栅谐振腔的掺镱全光纤激光器设计(英文)

采用数值分析方法分析了光纤长度、后腔镜反射率等因素对激光器输出阈值泵浦功率、输出功率的影响,为全光纤激光器的优化设计提供了理论基础.在设计过程中采用光纤光栅作为光纤激光器的反馈与选频腔镜,通过锥度光纤实现了泵浦模块与掺镱双包层光纤之间的低损耗连接以及高效率的泵浦激光功率传输,成功研制了具备稳定窄化线宽激光输出的掺镱全光纤激光器.实验得到了波长峰值在1 082 .50 nm,谱线宽度0 .113 nm,最大输出功率8 .5 W,泵浦阈值功率0 .8 W,斜率效率为70 .8 %的稳定激光输出.     

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。     

高斜率效率L波段宽带可调谐光纤环形腔激光器

利用环形腔结构在L波段获得了43nm(1567.1nm-1610.1nm）范围的宽带连续可调谐激光输出。由于同时采用了高浓度掺铒光纤和1480nm激光二极管（LD）抽运源，极大地降低了激光器的抽运阈值，提高了斜率效率和输出功率。在整个可调范围内，激光器的输出功率达10．9dBm-12.1dBm(95mW抽运），信噪比高于60dB，在1585nm的斜率效率为0．201。     

包层泵浦的高功率掺铥光纤激光器

研究了一种输出功率高且光束质量好的包层泵浦的掺铥光纤激光器.当泵浦功率达到30 W时,该掺铥光纤激光器产生的最大输出功率是6.1 W,且波长在2 μm左右,斜率效率达到55.6%,产生激光的阈值是2.2 W.当输出功率为3.3 W时,测得光束质量M2X和M2Y分别为1.26和1.32.     

国产有源光纤成功实现6 kW激光输出

光纤激光是继气体激光、化学激光和固体激光之后的新一代激光技术,是近年来世界各国科学研究的热点领域。制约光纤激光功率提升的主要技术瓶颈是系统集成技术和光纤材料制备技术。目前,我国科研工作者成功掌握了千瓦级光纤激光系统集成技术并实现了产业化,但是所用的光纤激光材料与核心器件还严重依赖进口。相较于比较成熟的系统集成技术,我国光纤激光材料的科学研究和产业化进程相对滞后,尚无法提供成熟稳定的有源光纤产品。 2016年6月,中国工程物理研究院激光聚变研究中心的研究人员经过近三年科研攻关,成功研发了30/900规格（纤芯30 m/包层900 m）镱掺杂铝磷硅（Yb-APS）三元体系激光光纤并实现了6.03 kW最高功率输出,在5 kW功率水平下可长期稳定工作。光纤激光材料综合测试平台采用了传统的1+1型MOPA放大结构（即信号种子源与一级主放）:信号光种子源的功率为40 W,光束质量M2=1.1;第二级MOPA放大级使用的976 nm LD泵浦光总功率9.95 kW,经过CPS功率剥离器激光净化处理后,最终安全地实现了6.03 kW最大功率输出。如图1所示,最高输出功率时斜率效率为61.25%,源于1∶30的芯包比和20 m以上的光纤使用长度;激光输出光谱中心波长1080 nm,3 dB带宽为1.89 nm,受激拉曼抑制比＞15 dB;5 kW稳定工作时,光束质量M2=2.38,未发现光子暗化效应。中物院激光聚变研究中心所研制的镱掺杂铝磷硅三元体系有源光纤(30/900 Yb-APS fiber)成功实现了6.03 kW激光输出,是我国高功率光纤激光材料研究领域的重要进步,为制备低损耗、高掺杂、高吸收、高增益、无光子暗化效应的商业激光光纤产品奠定了坚实的技术基础。     

260 W波长锁定光纤耦合输出泵浦模块实验研究

半导体光纤耦合输出泵浦源是光纤激光器的核心器件,其性能直接制约光纤激光器的输出水平。采用COS封装的高功率LD芯片,通过VBG外腔光谱锁定和精密光束整形变换技术,结合偏振合束与精密聚焦耦合技术将18个LD单元耦合进105 μm/NA0.22光纤,获得不低于260 W功率输出。实验表明,该模块在注入电流18 A时,可获得稳定输出连续功率264 W,对应电光效率52%,输出光谱中心波长975.92 nm,谱宽0.51 nm。该设计为获得高功率、高亮度波长稳定泵浦源提供了一条可行途径,光纤耦合输出模块工程化后可广泛应用在光纤激光器泵浦等领域。     

自主研制的976 nm波段光纤激光器实现500 W量级功率输出

正976 nm波段掺镱光纤激光器因其在高功率光纤激光器和新型波段固态激光器等领域具有重要的应用前景,因而受到广泛关注。不过,由于其三能级跃迁特性,该激光器的功率拓展受到泵浦阈值高、放大自发辐射强等物理因素的制约,要实现高功率输出难度较大。国际上,该激光器已报道的最高功率为151 W。国防科技大学针对影响该激光器功率提升的核心限制因素开展了研究,2021年利用自主研制的976 nm波段光纤激光器,国际上首次实现了500 W量级功率输出。     

包层泵浦的L波段Er3+/Yb3+共掺光纤激光器

报道了一种工作波长在L波段的包层泵浦Er³⁺/Yb³⁺共掺光纤环形激光器. 环形腔内的激光工作介质为一段9 m长的Er³⁺/Yb³⁺共掺高掺杂光纤. 利用6个976 nm LD同时抽运前段Er³⁺/Yb³⁺共掺双包层光纤产生的放大自发辐射谱作二次抽运源, 使腔内增义谱由C波段移到L波段, 实现了L波段光纤激光器的稳定输出; 采用包层泵浦技术, 在抽运功率为3594.5 mW时, 测得泵浦入纤功率为2731.8 mW, 实现了输出连续功率最大518.4 mW,斜率效率达到19% 的激光输出; 所形成激光的工作波长为1613.94 nm, 激光光谱的3 dB带宽为1.5 nm, 边模抑制比接近于50 dB.     

kW级全光纤激光器理论与实验研究

基于主振荡功率放大结构设计了kW级全光纤激光器,对激光器的功率分布及输出、弯曲选模以及冷却条件下增益光纤的热分布进行了数值模拟分析。搭建了所设计的全光纤激光器,在注入总泵浦功率1436W时,实验获得了1060W高功率连续激光输出,光光转换效率73.8%,光束质量因子小于1.6。初步分析了导致激光器实验输出与理论设计二者偏差的原因。     

占空比对光子晶体光纤激光器性能的影响

 在传统光纤激光器工作原理的基础上,考虑光子晶体光纤(PCF)模场分布特征,给出了连续泵浦情况下单模PCF激光器的速率方程和功率传输方程。利用该方程对掺镱单模PCF激光器的性能进行了数值模拟研究。结果表明：虽然空气占空比大小对PCF激光器的输出功率、泵浦阈值和斜率效率等影响不显著,但对拉曼非线性阈值影响却很大。当泵浦功率小于拉曼非线性阈值时,激光器主要输出信号激光;当超过拉曼阈值且在较宽的范围内,激光器同时输出功率相近的信号激光和拉曼光。基于这种效应,提出一种由泵浦功率控制的双波长光纤激光器的新思路。考虑到PCF非线性系数的可调控特性,采用不同光纤有可能在较宽的功率范围获得双波长激光振荡。