高功率光纤中传输光模式与其波长相关性研究

针对高功率光纤激光模式诊断和光谱诊断的需求,研究了光纤中传输模式的波长相关性,数值计算了光纤中各个模式的模场分布随波长的变化曲线及相应的光束质量,采用双傅里叶变换F~2法实际测量了光纤模式成分与波长的关系曲线.结果表明,光纤中各个模式的模场分布随波长变化,波长越长,模场面积越大;模式的光束质量随波长变化不大,但在截止频率附近明显变差;光纤中各个模式的功率占比与波长有关.     

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。     

高功率激光运转条件下大模场掺镱石英光纤模式特性的仿真研究

在高功率激光运转条件下,掺杂稀土离子的量子亏损和玻璃材料的本征吸收均会造成光纤放大器中增益光纤温度的整体上升与梯度分布。在热平衡状态下,光纤材料的热光效应将会诱导光纤横向折射率的再分布,引发高功率激光运转条件下增益光纤模式特性的改变。为此,利用多物理场有限元建模的数值计算方法对高功率激光运转条件下大模场掺镱石英光纤的热致模式特性展开系统研究,分析总结大模场增益光纤的模式特性在不同激光运转功率、增益光纤设计参数(纤芯直径、数值孔径、热光系数)和光纤弯曲使用条件下的变化规律。结果表明,随着激光运转功率的增加,纤芯和包层之间的温差会变大,从而导致光纤的归一化参数V值增大,最终使模式的传输损耗系数减小,模式在纤芯区域的功率因子增大。     

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。     

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。     

光纤激光器直接输出的高功率贝塞尔超短脉冲

构建了一种能够直接输出高功率贝塞尔超短脉冲的光纤激光放大器. 该方案基于在光纤端面特殊设计和制备的微型负轴锥镜, 针对常规超短脉冲光纤激光放大系统所设计, 不需要引入其他分立整形器件, 避免了目前基于轴锥透镜产生贝塞尔光束的通用方法所带来的额外烦琐准直工作, 极大简化了产生贝塞尔光束的方法. 其中的微型负轴锥镜由聚焦粒子束刻蚀法在一段掺镱大模场光子晶体光纤的端面制备, 它和光纤激光系统中的固有准直透镜构成了集成化的光束整形器件. 基于数值模拟结果成功搭建的系统与理论设计一致, 直接输出了在米量级具有高度准直无衍射特性的啁啾皮秒贝塞尔超短脉冲波包, 平均功率高达10.1 W, 对应脉冲能量178 nJ, 经过光栅对压缩后脉冲宽度可达140 fs. 关键词： 衍射 超短脉冲产生 光纤器件 光纤激光器     

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。     

高功率光纤激光受激拉曼散射效应研究新进展北大核心CSCD

由于具有高品质、高效率、高鲁棒性、结构紧凑等优点,光纤激光系统在近20年飞速发展,并得到广泛应用。然而发展至今,依旧存在着一些因素(如非线性效应、热效应、模式不稳定性等)限制着光纤激光系统功率的进一步提升。作为其中的一种主要限制因素,受激拉曼散射效应不仅降低了光纤激光器的输出效率,后向斯托克斯光还会提高系统的损毁风险。最近的研究结果表明,少模光纤中受激拉曼散射在引起模式不稳定性的同时,还会导致准静态的模式退化。因此,需要发展有效的拉曼抑制手段来突破现有瓶颈,促进高功率高光束质量光纤激光发展。在介绍高功率少模光纤激光中受激拉曼散射效应新表征的同时,从高功率光纤激光系统整体优化角度出发,总结整理了相关抑制技术研究新进展,并展望未来可能的研究方向。     

Ge30Sb8Se62硫系玻璃的制备及其10.6μm低损耗空芯光子带隙光纤的设计

硫系玻璃光子晶体光纤在中远红外激光传输领域具有广阔的应用前景。制备了红外波段具有优良透过特性的Ge30Sb8Se62硫系玻璃,并以此为基质材料设计了一种适合于高功率中红外激光传输的带隙型光子晶体光纤。利用平面波展开法和有限元法分析了不同结构下该光纤的光子带隙、模场面积和限制损耗特性。通过优化光纤的结构参数,获得了在10.6μm处限制损耗小于0.1dB/m的大模场(模场面积大于100μm2)光子晶体光纤。     

新型全固态准晶体结构大模场光纤特性研究

大模场单模光纤在高功率激光器、高功率光传输和高灵敏度传感器等领域具有重要意义.设计了一种新型超低损耗大模场单模光纤,包层空气孔由掺氟硅玻璃棒代替,掺氟硅玻璃棒排列呈六重准晶体结构.基于有限元法对光纤的传输特性进行了数值模拟.研究了光纤结构参量变化对模式特性和有效模场面积的影响.结果表明:波长在1064 nm处,有效模场面积高达5197μm2,基模的限制性损耗低于10-5dB/km,解决了大模场与低损耗之间的冲突;在1064—2000 nm波段内,基模与二阶模的限制性损耗相差7个量级,实现单模传输;半径为10 cm时,弯曲损耗小于0.01 dB/m,具有良好的低弯曲损耗特性.此光纤能够提高光纤热损伤阈值,减少接续损耗,全固态结构有效避免了空气孔塌陷,简化制备工艺,对高功率激光传输、光纤激光器和光纤放大器的发展具有重要意义.     

光谱线宽与中心波长可同时调谐的高功率光纤激光实现3 kW输出

光谱灵活可调的高功率光纤激光在光谱合束、光声光谱检测和非线性频率变换等方面具有独特优势,近年来受到国内外研究人员的广泛关注。基于光谱灵活可调的超荧光光纤种子源,通过主振荡功率放大器结构实现了光谱中心波长1065～1085 nm可调谐、3 dB线宽2.4～13.8 nm可调谐的3 kW光纤激光输出。     

Theoretical analysis of transverse mode conversion using transient long-period gratings induced by ultrashort pulses in optical fibers

We study numerically the conversion of transverse modes in a few-mode fiber using long-period gratings that are optically induced by femtosecond pulses. The gratings are transiently generated via the Kerr effect by the modal beating of a high-power write beam that excites a combination of transverse modes. The spectral properties and the influence of pulse walkoff on the conversion are investigated. Furthermore, by delaying the write pulse with respect to the probe pulse and choosing a suitable target mode profile, we show the temporal characteristics of a novel optical switch that can be realized based on this principle.     

大功率半导体激光器发展及相关技术概述

激光被称为"最快的刀"、"最准的尺"、"最亮的光",与原子能、计算机、半导体并称为20世纪新四大发明。大功率半导体激光器在工业加工、医疗美容、光纤通信、无人驾驶、智能机器人等方面有着广泛的应用。如何实现大功率半导体激光光源,一直以来都是国际的研究前沿和学科热点。为此,简述了大功率半导体激光器的发展历史,综述了大功率半导体激光器的共用技术,包括大功率芯片技术和大功率合束技术,并对大功率半导体激光的发展方向进行了展望。     

Ultrafast all-solid-state laser technology

Passively mode-locked diode-pumped solid-state lasers can provide practical high-power laser sources with pico- and femtosecond pulse durations. We use semiconductors not only to optically pump but also to cw mode-lock or Q-switch a solid-state laser. A novel saturable absorber design, the Antiresonant Fabry-Perot Saturable Absorber (A-FPSA), allows of using semiconductor saturable-absorber materials even though they are generally not well-matched to the characteristics required for diode-pumped solid-state lasers, i.e., the semiconductors tend to have too much optical loss, a too low saturation intensity, and a too low damage threshold. This paper gives an overview of passively mode-locked ion-doped crystalline solid-state lasers. In particular, we present a quantitative discussion of A-FPSA mode locking, and compare A-FPSA mode locking with other passive mode locking techniques such as KLM (Kerr Lens Mode locking).     

Fiber core mode leakage induced by refractive index variation in high-power fiber laser

This paper presents an investigation of specific optical fiber core mode leakage behavior that occurs in high-power double-clad fiber lasers as a result of thermally-induced refractive index variations. A model of the power transfer between the core modes and the cladding modes during thermally-induced refractive index variations is established based on the mode coupling theory. The results of numerical simulations based on actual laser parameters are presented. Experimental measurements were also carried out, the results showed good agreement with the corresponding simulation results.     

Volume Bragg grating stabilized spectrally narrow Tm fiber laser

A Tm-doped large mode area (LMA) silica fiber laser has been locked to a stable wavelength of 2,053.9 nm using a volume Bragg grating (VBG). The measured spectral width of the laser output was <300 pm, limited by the spectrometer resolution. Although this laser had modest output (approximately 5W) and slope efficiency (41%), this new approach to spectrally limiting the output of LMA fiber lasers is inherently extendable to kilowatt powers, opening up several applications including high-power pulsed fiber lasers and spectral beam combining. Performance characteristics of the laser compared to one using a dielectric mirror as a high reflector are described, and the results imply low VBG losses.     

Polarization-resolved imaging of an ensemble of waveguide modes

We demonstrate polarization-sensitive measurement of the modal content of waveguides by generalizing the classic rotating wave-plate-based polarimeter to wide-field optical low-coherence interferometry. The spatial phases of the modes are retrieved with principal component analysis. By applying this polarization-sensitive cross-correlation (C²) imaging technique to the characterization of a few-mode fiber, we reveal that different modes experience distinct bend-induced birefringence in optical fibers. This polarization-resolved C² imaging is well suited for analyzing the impact of polarization on wave propagation in high-power fiber lasers as well as in mode-division-multiplexed communications systems.     

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。     

Laser induced damage reduction in single-mode fiber devices

We propose ihe use of tapered-up structures such as the fiber-horn lens and the straight-tip fiberhorn lens to be integrated in single-mode fiber devices to raise the damage threshold for input power. The optical damage limit with the use of such structures in single mode fibers is studied in this work. It is observed that for these devices to be practical, special attention needs to be put in the quality of the surface of the device and the quality of the fusion splice to standard single-mode fibers. New studies, techniques and fiber splicing equipment should help the new structures studied here, inwards their implementation in all-optical devices and high-power fiber lasers.