高功率双包层光纤激光器受激拉曼散射和热效应的理论研究

 受激拉曼散射和热效应会限制光纤激光器功率的提高。利用高功率光纤激光器的速率方程和热传导方程，理论研究了双端泵浦和分布泵浦下双包层光纤激光器的受激拉曼散射和热效应，得到了光纤中的泵浦光、激光和斯托克斯光的功率分布，光纤激光器的输出特性以及光纤中的温度分布。分析表明，当泵浦功率增大到一定值时，光纤激光器中出现SRS，一部分激光功率会转移给斯托克斯光，影响激光功率进一步提高;与双端泵浦方式相比，分布泵浦下光纤激光器的斜率效率和最大输出功率相差不大，但是，光纤中的温度分布被有效地降低，因此，分布泵浦方式更为有效。     

端面泵浦掺Yb3+双包层光纤激光器

从双包层光纤激光器的速率方程出发，得到了光纤中泵浦光与激光的功率分布、输出功率与泵浦功率的关系、腔镜反射率及光纤长度对输出功率的影响。研究结果表明：输出激光功率与光纤长度及后腔镜反射率有很强的依赖关系，存在一个输出功率最大的最佳光纤长度。后腔镜反射率越大，输出激光功率越小；当光纤长度较短时，在输出端放置反射镜使泵浦光高反射，可以提高输出功率和效率。通过对端面泵浦掺Yb3+双包层光纤激光器进行理论分析和实验研究，得到输出激光的中心波长为1088.3nm，斜率效率为33.7%，最大输出功率为1.75W。     

掺Yb3+双包层光纤激光器的数值分析

本文对976nm激光泵浦掺Yb³⁺双包层光纤激光器进行了数值模拟,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输出激光功率的影响,所得结论与实验现象基本一致.     

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。     

LD泵浦掺镱双包层光纤激光器的理论研究

对线形腔LD泵浦掺镱的双包层光纤激光器进行研究,通过数值模拟,分析了不同泵浦方式下的泵浦光、激光输出功率和增益特性在光纤中的分布。结果表明,单端后向泵浦输出功率率较高,对于小功率光纤激光器则是最佳选择。进一步又研究了单端后向对称泵浦输出功率与光纤长度及腔镜反射率的影响,为提高光纤激光器的输出功率提供了理论和实验依据。     

双端泵浦的高功率掺Yb3+双包层光纤激光器

 分析了Yb³⁺的能级结构、光谱特性以及激光发射特性。实验研究了中心波长为1 100 nm、输出功率为61.6W、斜率效率为55%的高功率掺Yb³⁺双包层光纤激光器。采用了两个中心波长在915 nm的高功率激光二极管分别从光纤的两端将泵浦光耦合进入光纤，采用45°对波长在（1 100±10） nm的激光高反，对波长在（915±10） nm的泵浦光高透的双色镜将激光输出，实验发现了掺Yb³⁺双包层光纤的合作发光效应。理论分析表明，掺Yb³⁺双包层光纤中合作发光效应是由Yb³⁺对在激光产生过程中的吸收与发射引起的。     

高功率光子晶体光纤激光器实验研究

 从光纤热传导方程出发,研究了不同泵浦光吸收系数对光纤激光器沿光纤长度方向温度分布的影响。结果表明,低吸收系数光纤泵浦端温度相对较低,分布较为平缓,有效减缓光纤的热损伤。根据理论分析结果,实验中选择了吸收系数为1.45 dB/m的掺Yb³⁺双包层光子晶体光纤作为增益介质,在泵浦光功率为560 W时,获得了428.5 W的高功率单模连续输出,斜率效率为76.5%,光束质量因子M²<1.2。由于泵浦端光纤温度较高,实验中对光纤两端进行了主动冷却,并且在离光纤端面约25 cm处的光纤表面温度进行实时测量,结果发现随着泵浦光功率的增加,光纤表面温度均匀增长,最高温度为310 K,温度正常。     

掺Yb3+双包层光纤激光器的数值分析

 对掺Yb³⁺双包层光纤激光器不同参数情况下的输出功率和增益分布进行了数值模拟，分析了一端泵浦和双端泵浦方式下输出特性的差异，激光沿光纤长度方向的分布，输出功率与光纤长度、腔镜反射率及泵浦功率的关系。结果显示：两端泵浦较一端泵浦增益更加平坦，输出功率也稍高；当泵浦光波长为975nm时，输出激光功率对光纤长度更为敏感，最佳光纤长度相对于泵浦光波长为915nm时短且转化效率高；在大功率长光纤的情况下，光纤有损耗时输出功率随输出腔镜反射率的增加单调地减小，无损耗时输出功率不随输出腔镜反射率变化。     

三能级光纤激光器速率方程组的阈值解析解

 在考虑了泵浦损耗及激光损耗的情况下，解析求解了阈值泵浦下的三能级光纤激光器速率方程组，获得了泵浦功率阈值的显函数解析表达式，泵浦功率沿光纤变化的隐函数表达式，以及用功率变化表示的各个能级的粒子数密度随位置变化的显函数表达式。并利用这些表达式对光纤激光器的阈值特性进行了研究，研究表明：泵浦功率阈值随泵浦损耗系数增大而增大；激光上能级粒子数密度随归一化位置呈下降趋势，而下能级粒子数密度的变化与此相反；泵浦功率阈值越大(光纤长度越长),净增益系数随归一位置下降就越快。所获得的结果适用于单包层和双包层光纤激光器。     

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。     

侧面抽运掺Yb3+双包层光纤激光器的理论研究

建立了侧面抽运掺Yb3+双包层光纤激光器的数值模型,推导出激光分布的近似解析式,并进行了数值模拟,得到了光纤内抽运光和激光功率的分布特性,以及激光输出功率随抽运光注入位置,光纤长度以及端镜反射率的变化关系.结果表明,抽运光注入位置对激光分布和激光输出功率有较大的影响.     

一种掺钕光纤激光器与倍频技术实现的数值模拟

从双包层光纤激光器的速率方程和光传输方程出发，建立数学模型，进行数值计算并对掺钕光纤激光器输出功率沿光纤的分布以及不同光纤长度下抽运功率和输出功率沿光纤的分布进行了数值模拟。以808nm半导体激光器为抽运源，掺钕双包层光纤为增益介质，并以KTP作为倍频晶体，计算并模拟其倍频效率和相位匹配角。最后，对光纤激光器及其倍频的实现进行了模拟研究。结果表明，该光纤激光器能够高效率地实现可见光输出。     

包层泵浦的铒镱共掺光纤激光高效产生的实验研究

利用尾纤输出的977nm高亮度多模半导体激光器包层泵浦铒镱共掺双包层光纤,采用非球面透镜组耦合方式,使泵浦耦合效率达66%以上,并在法布里-珀罗激光振荡腔结构中实现了高效的连续激光产生,双包层光纤长度为2m,在泵浦入纤功率为1.36W时,输出连续功率最大394mW,斜率效率达35%,激光输出波长1.565μm.     

内腔级联拉曼光纤激光器输出特性的实验研究

采用标准单模石英光纤作为拉曼增益介质，光纤布拉格光栅作为谐振腔镜，研制了一台内腔级联拉曼光纤激光器。利用掺Yb双包层光纤激光器作为抽运源，实现了二级拉曼转换，在波长1176.8nm获得了309mW的最大输出功率，斜率效率接近51.5％。在小抽运功率下，发现拉曼光纤激光器的输出中存在重复周期约为2.9μs的脉冲序列；当抽运功率大于某一值时，上述脉冲消失，获得了十分稳定的连续输出。     

掺镱双包层光纤激光器的径向偏振振荡

通过在腔内放置汇聚型布儒斯特角轴锥体,并对增益光纤采用双端泵浦, 实验上实现了掺镱双包层光纤激光器的径向偏振模振荡.对增益光纤的末端做了斜角抛光,抑制了光纤端面间的寄生振荡,减小了在低泵浦功率下被放大的自发辐射光份额.该激光器的域值约为175 mW,斜率效率13.8%,激发波长约1085 nm.当泵浦功率达到最大值460 mW时,获得了39 mW的激光输出功率,其光束偏振纯度和圆柱形对称性有显著改善.     

光纤光栅选频掺Yb3+双包层光纤激光器

利用相位掩模法，在D形内包层掺Yb3+双包层光纤一端直接写制出Bragg光栅，用作双包层光纤激光器的输出腔镜.试验得到了线宽为0.196nm，波长为1058.2nm，最高输出功率为570mW的稳定激光输出，解决了激光器中模式竞争造成的输出不稳定现象.从速率方程出发，对激光器的输出功率与抽运功率、光栅反射率的关系以及最佳光纤长度进行了理论分析，结果与实验符合很好. 关键词： 双包层光纤光栅 掺Yb3＋双包层光纤激光器 相位掩模 速率方程     

高功率全光纤保偏主振荡功率放大型光纤激光器的实验研究

进行了全光纤保偏主振荡功率放大型光纤激光器的实验研究. 采用两级级联放大的方式, 利用纤芯为5 μupm 的小芯径双包层保偏光纤, 在最大抽运功率为88 W 时实现了67 W的1083 nm保偏激光输出, 纤芯内的激光功率密度约为3.4 W/μupm², 光-光转换效率为76%．分析结果表明, 进一步提高抽运功率有望获得更高功率的激光输出．