侧面泵浦高功率双包层光纤激光器的表面弧形金属槽结构的制作和分析

侧面耦合高功率泵浦光技术是获得高功率稀土光纤激光器的关键技术之一。介绍了一种用于侧面泵浦高功率双包层光纤激光器的表面弧形金属槽结构的制作工艺,并且针对已经实验制作出来的表面连续弧形金属凹槽的侧面耦合结构进行了严格的矢量电磁场理论计算,将120°弧形凹槽等效近似为多层等高不等宽的矩形槽并运用透射矩阵算法对这种近似后的多层矩形结构进行优化设计。这种结构可以用于大功率激光二极管阵列的侧面泵浦中,尤其可用于条形半导体激光器侧面泵浦双包层掺杂光纤,以制作各种大功率稀土光纤激光器。     

侧面泵浦大功率双包层光纤激光器的双凹槽金属二元光栅

 将双凹槽金属二元光栅用于侧面泵浦大功率双包层光纤激光器中,这种具有等槽深、不等线宽的双凹槽金属二元光栅可以被直接制作在双包层光纤的侧面内包层上，以实现大功率的激光泵浦。通过选择梯度优化算法（如拟牛顿算法）和微型遗传算法准确地预测出：利用这种双凹槽金属二元光栅结构能实现对TE偏振光的耦合效率为77.27%，而对TM偏振光的耦合效率为94.77%。同时，也对这种结构的制作容差和最小特征尺寸进行了分析和计算。     

熔锥型侧面泵浦耦合器的研究

 现在高功率光纤激光器和光纤放大器采用的双包层掺杂光纤,相对于从半导体泵浦激光器发射出的多模泵浦光束的大发散角,其内包层的直径很小,因此把泵浦光有效地耦合到双包层掺杂光纤的内包层是一个急需解决的难题。研制一种熔锥型侧面泵浦耦合器,可以大幅度提高泵浦光功率,实现增益光纤的多点泵浦,在双包层光纤放大器中使用良好,安全稳定,实现了较高的耦合效率,达到了70%,信号光通过率98%,信号输入与泵浦输入的隔离度大于50 dB,泵浦输入对输出端反向传输光的隔离度27 dB。通过对比结构紧凑性、耦合效率、系统稳定性等相关指标发现,熔锥型侧面泵浦耦合器完全可以满足高功率光纤激光器和光纤放大器的使用要求。     

基于飞秒激光直写光纤光栅的掺镱光纤激光器

 利用飞秒激光微加工技术,可以在光纤纤芯内直写出布拉格光栅,它与传统的光纤光栅制作方法相比,具有耗时短、无需光敏光纤、周期可任意设定、光栅稳定性高等优点。采用800 nm钛宝石飞秒激光器,在Hi1060光纤内写入一支8 mm长的布拉格光栅,光纤光栅的周期为2.9 μm,这是中心波长为1 042 nm的八阶光纤布拉格光栅。将所得光栅与一段有源的双包层光纤熔接,作为激光输出镜,利用975 nm的LD光纤模块作为泵浦源,采用端泵浦技术构成双包层光纤激光器。双包层光纤采用Nufern公司镱(Yb³⁺)离子掺杂双包层光纤,光纤长度3 m。所得激光器的输出功率为71.1 W,中心波长1 042 nm,带宽约为0.8 nm。     

使用FBG及更短光纤的高效Er3+-Yb3+共掺双包层光纤放大器

提出在光纤放大器中,使用光纤布喇格光栅作为泵浦光反射镜,所需的双包层光纤可以缩短,同时至少保持了与没有光纤布喇格光栅作为反射镜时光纤放大器相同的性能.基于速率及传输方程,对使用和不使用光纤布喇格光栅的铒、镱共掺双包层光纤放大器的性能进行了数值模拟.结果表明,使用光纤布喇格光栅作为反射镜时光纤放大器可以获得与无光栅时相同的输出功率,但仅仅需要后者长度一半的光纤,无论是前向泵浦还是后向泵浦.对后向泵浦方式并使用光纤布喇格光栅作为反射镜,可获得最高的输出功率及光增益,同时使用了较短的光纤.     

光纤光栅F-P标准具选模单频环形腔光纤激光器

 讨论了光纤光栅法布里-珀罗(F-P)标准具选模光纤激光器的单频运转原理，并研制了全光纤结构单频掺Er³⁺光纤环形激光器。实验中采用两个976 nm激光二极管双向泵浦作为泵浦源，高掺杂浓度掺Er³⁺光纤作为增益介质，以行波腔消除空间烧孔效应，利用光纤光栅F-P标准具窄带选模特性，当泵浦光功率为36 mW时，得到了稳定的单频激光输出。实验中使用了长5和3 m的掺杂光纤，在泵浦光功率为145 mW时输出功率分别为19和42 mW，光-光转换效率分别为13%和29%，斜率效率分别达到了16%和33%。输出谱线3 dB带宽0.01 nm，无跳模现象。     

单点侧向泵浦掺Yb3＋双包层光纤激光器理论研究

 从速率方程出发，建立了单点侧向泵浦掺Yb³⁺双包层光纤激光器的理论模型并进行了数值分析，得到了泵浦光方向分别为正向、反向、双向时,光纤内泵浦光和激光功率的分布特性及输出功率与泵浦点位置的变化关系。结果表明，相对于泵浦光正向或反向传输，当泵浦光双向传输时，光纤中的激光功率分布和输出激光功率受泵浦点的位置影响较小，对于侧向泵浦的双包层光纤激光器是较好的选择。     

掺镱双包层光纤激光器典型参数对斜线效率的影响

 分析了双包层光纤激光器(DCFL)耦合方程的解析解，并对信号光散射损耗、后腔镜泵浦反射率等影响掺镱DCFL斜线效率的典型参数进行了理论研究。结果表明，斜线效率并不是随着后腔镜泵浦反射率的升高而单调增大，因为泵浦反射率的升高会影响光纤的最佳长度，从而降低斜线效率。所以在优化斜线效率时应该考虑到泵浦反射率和光纤最佳长度之间的匹配。同时，提高纤芯掺杂浓度、减小信号光散射损耗也能增大斜线效率。     

掺镱双包层光纤激光器典型参数对斜线效率的影响

分析了双包层光纤激光器(DCFL)耦合方程的解析解，并对信号光散射损耗、后腔镜泵浦反射率等影响掺镱DCFL斜线效率的典型参数进行了理论研究。结果表明，斜线效率并不是随着后腔镜泵浦反射率的升高而单调增大，因为泵浦反射率的升高会影响光纤的最佳长度，从而降低斜线效率。所以在优化斜线效率时应该考虑到泵浦反射率和光纤最佳长度之间的匹配。同时，提高纤芯掺杂浓度、减小信号光散射损耗也能增大斜线效率。     

大模场双包层光纤光栅的光谱特性

在分析大模场双包层光纤的模式特性和测试光路中光功率分配的基础上,根据耦合波理论和传输矩阵法,对不同情况下大模场双包层光纤光栅的透射谱和反射谱进行数值分析,结果表明光谱形状取决于模式间的功率分配,通过基模的透射谱可以测量双包层光纤光栅的真实反射率。采用相位掩模法制作了基模反射率不低于99.7%的20/400μm大模场双包层光纤光栅,测试了不同情况下的反射谱和透射谱,实验结果和理论分析的结论一致。     

Multi-point side pumping scheme of fiber lasers for high-power diode arrays

A multi-point side pumping scheme of double-clad fiber lasers was presented for high-power diode arrays. It made use of multiple dielectric transmission gratings to realize high coupling efficiency and low pump light leakage ratio simultaneously. Appropriate material and practical structural parameters of the transmission gratings were chosen and designed by using a rigorous Eigen-mode theory combined with a genetic algorithm (GA) and a quasi-Newton method. The GA provided initial parameter values for the quasi-Newton method to get the final optimal results. For TE-polarized pump lights, a perfect transmission grating structure was found for side pumping and the coupling efficiency (CE) of 98% can be achieved. Meanwhile, the CE is 83% for TM-polarized pump lights. And the leakage ratios of the pump lights were only 11.3% and 4.9% for TE- and TM-polarized when a multi-point side pumping scheme was adopted.     

300 W侧面分布式抽运掺Yb全光纤放大器

采用角度磨抛的方式, 在纤芯/包层为20/400 μm双包层掺Yb光纤上制作了侧面抽运耦合器. 该耦合器对975 nm的半导体二极管抽运光的耦合效率最高可达97%, 对1080 nm信号光的泄漏比小于2%. 分析了侧面抽运耦合器的性能以及多个侧面抽运耦合器的级联分布对抽运耦合效率的影响; 同时, 在前向抽运和双向抽运方式下, 分析了级联耦合器的分布及信号光泄漏比对激光器整体效率的影响, 并进行了数值模拟. 采用自行研制的侧面抽运耦合器, 搭建了侧面耦合分布式抽运、掺Yb双包层全光纤主振荡功率放大器, 获得了波长为1080 nm、功率为303 W 的基模激光输出. 进一步增加抽运点个数, 提高抽运功率, 可获得更高的输出功率.     

利用光纤光栅的高功率掺镱光纤激光器

报道了利用一对光纤光栅作为双包层Yb^3 掺杂光纤激光器的谐振腔，激光二极管光纤模块(LD)进行了抽运，并采用锥形光纤实现了全光纤化结构，获得了高功率双包层光纤激光器。光纤光栅通常是用融接技术实现与双包层光纤的一体化连接的，采用的双包层光纤为内包层为梅花瓣形结构的掺Yb^3 离子的石英光纤，采用的抽运源为中心波长为970nm的半导体激光光纤输出模块，在抽运源电流达到2．4A时，获得了10．8W的光纤激光器单横模输出，输出波长1100．5nm，峰值半峰全宽(FWHM)为0．54nm，激光器斜效率为59％。     

Narrow-linewidth widely tunable hybrid Q-switched double-clad fiber laser

A laser-diode-pumped Yb-doped double-clad fiber laser operating in a hybrid Q-switched regime has been demonstrated. With pulsed pump light and stimulated Brillouin scattering of the gain fiber as the Q-switching mechanisms, the laser generated nanosecond pulses with a stable repetition rate. A single-pulse energy of as much as 143.1 microJ with a peak power of 28.6 kW was obtained. Use of an external-cavity diffraction grating in the Littman configuration permitted tuning of the laser wavelength over a 15.7-THz range from 1080 to 1140 nm, and a linewidth of 0.04 nm over the whole tuning range was achieved.     

包层泵浦掺镱光纤激光器的理论和实验研究

从包层泵浦光纤激光器的速率方程理论出发,推导出了稳态下包层泵浦光纤激光器的输出功率,斜率效率和阈值功率的解析表达式,进行了数值模拟,对模拟结果进行了简单分析。并进行了实验研究,实验采用中心波长为975nm的激光二级管单端泵浦内包层形状为D型的包层光纤,利用二相色镜和光纤端面反馈构成谐振腔,采用了两套不同的准直耦合系统,得到的最高输出功率为24W,总的光-光转换效率为53.5%。     

Efficient operation of double-clad Yb3+-doped fiber lasers with a novel circular cladding geometry

A highly efficient double-clad Yb3+-doped fiber laser with a novel cladding geometry is described. A round double-clad fiber with a small D-shaped hole for breaking a circular symmetry in a cladding combines the advantages of ease of manufacture and handling round fibers with efficient absorption of pump light. Fiber lasers with a double-D cladding shape and a D-hole cladding are compared. We report what are to our knowledge the highest slope efficiencies of 73% and 69%, respectively, pumping at 915 nm. Output powers in excess of 13 W are demonstrated.     

强泵浦下掺Yb3+双包层光纤激光器输出特性数值分析和实验研究

对强泵浦下线形腔掺Yb3+双包层光纤激光器输出特性进行了理论和实验研究。通过数值模拟,分析了泵浦光及激光在光纤中的分布、输出功率与泵浦功率的关系、光纤长度及腔镜反射率对激光输出功率的影响。在实验中,利用D型掺Yb3+双包层光纤获得了输出功率10 6W的光纤激光输出,斜率效率达86%。测量了在不同输出耦合条件下的输出功率、阈值泵浦功率和斜率效率,理论分析与实验结果基本一致,为进一步提高光纤激光器功率提供了理论和实验依据。     

Threshold characteristics of linear cavity Yb-doped double-clad fiber laser

The threshold characteristics of linear cavity Yb³⁺-doped double-clad fiber laser have been studied theoretically and experimentally. By solving rate equations, the expression for threshold pump power is obtained. The effects of fiber length, mirror reflectivity, pump wavelength, laser wavelength and Yb³⁺ concentration on threshold pump power are discussed. Then, the Yb³⁺-doped double-clad fiber laser with linear cavity is developed. By using various output couplers, threshold pump power has been measured. The experimental results are in accord with theory.     

Novel grating couplers for diode-bars multi-point side-pumping double-clad fiber

Three grating couplers for diode-bars single-point and multi-point side-pumping double-clad fiber (DCF) are presented. The principles, characteristics and coupling efficiencies of these grating couplers are described and computed by a rigorous electromagnetic theory. We show computationally that the optimized gratings can couple the high-power TE- or TM-polarized pump lights with 94.7% and 79.7% into the DCF, respectively. For an un-polarized pump light, 72.4% efficiency can be reached. We also have analyzed the leakage of pump powers for diode-bars multi-point side-pumping DCF. Besides, the fabrication tolerances and other performances of the grating couplers are analyzed.