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。     

光纤激光共孔径光谱合成实现5kW高效优质输出

采用多层介质膜衍射光栅实现多路高功率光纤激光共孔径光谱合成有望成为光纤激光同时实现高功率、高效率和高光束质量的最具发展潜力的技术途径。搭建了一套基于双光栅色散补偿设计的5kW共孔径光谱合成系统。采用国产多层介质膜衍射光栅实现了5路kW级窄谱子束激光的高效优质共孔径光谱合成,最大输出功率达5.07kW,光束质量因子(M2)小于3,合成效率达到91.2%。初步研究表明:多层介质膜衍射光栅在较高功率水平、较宽光谱范围内均能保持较高衍射效率,是实现高功率光纤激光高效率光谱合成的重要器件;参与合成的子束自身的光束质量水平和线宽是影响合成输出光束质量的重要因素,光谱合成系统的输出功率主要受限于窄谱子束的输出功率和合成路数,增加窄谱子束的功率或合成路数均可进一步提升系统的输出功率。     

kW级主振荡功率放大光纤激光器输出特性

分析了kW级光纤激光器实现单模激光输出的模式控制方式。采用主振荡功率放大方式,实现了工作波长1.08 m、最大输出功率1.05 kW的全光纤单模激光输出。对激光光谱和光束质量随激光功率的变化等输出特性进行了研究,结果表明:随着激光功率的增大中心波长和光束质量无变化,但谱宽逐渐展宽。分析了激光光谱展宽的原因,认为随着激光功率的增大,光栅纤芯的折射率变化增大,引起本振级的谱宽展宽,而本振级因谱宽展宽引入的噪声在放大级被放大,再加上放大级本身引入的自发辐射,共同造成放大级的谱宽展宽。对光束质量变差的原因进行了分析,认为光纤弯曲导致原先在纤芯中传输的激光部分被泄露到包层中,从而使光束质量变差。     

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。     

Theoretical calculation of beam quality factor of large-mode-area fiber amplifiers

In order to evaluate a fiber amplifier’s output beam quality, we have explored the beam quality factor calculation. A theoretical beam quality factor calculation method is presented in this paper. The method bases on modal power decomposition, laser rate equations and Fourier diffraction theory. Through the rate equations, each modal power weight factor at the fiber output facet is obtained. By the modal power decomposition, the optical field at the fiber output facet is established. Finally, running Fourier transformation, the beam diverging state in free space and corresponding M ² parameter are obtained. The calculation process is verified with applying it to working out the beam M ² parameters of large-mode-area (LMA) fiber amplifier system under different conditions. The numerical results help us well know and predict the out beam property. Some obtained results are also accord with other reporting outcomes.     

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。     

Theoretical and experimental study on transverse mode competition in a partial-coiled multimode fiber laser

A model derived from propagation-rate equations with consideration of transverse-hole burning, the mode-coupling effect, and longitudinal-distributed loss for a laser signal is built up to describe the transverse mode competition in multimode fiber lasers. Based on the model, theoretical analysis on transverse mode competition in a partial-coiled multimode fiber laser, which introduced longitudinal-distributed loss, is presented. An experimental laser system applying this fiber is also demonstrated. To study the transverse mode competition, we changed the coiled length of the fiber and measured the output beam quality to compare with calculated values. The experimental results agree with the theoretical analysis.     

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。     

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.     

High average power spectral beam combining of four fiber amplifiers to 8.2 kW

We report on the incoherent beam combination of the four narrow-linewidth fiber amplifier chains running at different wavelengths. Each main amplifier stage consists of a large-mode-area photonic crystal fiber delivering more than 2 kW of optical power. The four output beams are spectrally combined to a single beam with an output power of 8.2 kW using a polarization-independent dielectric reflective diffraction grating mainly preserving the beam quality of the individual fiber amplifiers.     

基于空间滤波的光纤激光被动相位锁定技术研究

基于空间滤波的被动相位锁定,对掺Yb光纤激光阵列的相干组束进行了理论和实验研究.分析了基于空间滤波光反馈相位锁定的原理,研究了远场相干光斑Strehl比与激光波长及光谱带宽的关系.建立了二维四路掺Yb光纤放大器阵列的被动相位锁定实验系统,实现了稳定的相干耦合激光输出,远场光斑Strehl比为0.77.测得输出激光光谱中单个纵模的带宽约为9.1 GHz,与理论计算符合较好. 关键词： 光纤激光 相干合成 环形腔     

Single-mode operation of a coiled multimode fiber amplifier

We report a new approach to obtaining single-transverse-mode operation of a multimode fiber amplifier in which the gain fiber is coiled to induce significant bend loss for all but the lowest-order mode. We demonstrated this method by constructing a coiled amplifier using Yb-doped, double-clad fiber with a core diameter of 25 microm and a numerical aperture of ~0.1 (V approximately 7.4) . When the amplifier was operated as an amplified-spontaneous-emission source, the output beam had an M(2) value of 1.09 +/- 0.09 ; when seeded at 1064 nm, the slope efficiency was similar to that of an uncoiled amplifier. This technique will permit scaling of pulsed fiber lasers and amplifiers to significantly higher pulse energies and peak powers and cw fiber sources to higher average powers while maintaining excellent beam quality.     

多模光纤放大器输出光分析

根据不同的泵浦方式,对多模光纤放大器运用多模速率方程组,采用四阶龙格-库塔法数值计算和分析了在不同泵浦方式下的泵浦效率和信号光在光纤放大器中的传输、放大行为,并研究了在光纤放大器光纤长度有微小变化(mm量级)的情况下,输出光的光束质量与光纤长度的关系。结果表明:输出信号光的光束质量因子随光纤长度微小变化而呈准周期变化,周期与信号光耦合入光纤放大器的本征模式间的传播常数差有关。     

2.14kW级联泵浦光纤放大器

利用大模场掺镱光纤搭建了1018nm高功率光纤激光器,获得了476 W的最高输出功率。利用6台高亮度1018nm光纤激光器泵浦掺镱光纤,搭建了全光纤结构的级联泵浦光纤放大器,实现了2.14kW的最高输出功率,输出功率随泵浦功率线性增长,整体斜率效率为86.9%,M2因子为1.9。     

30.6 W CW Tm3+ fiber laser of seed amplification

We use all fiber single-mode lasers as seed source, all fiber amplifiers and pump laser coupling amplifier has been experimentally investigated, respectively. The max output power of all fiber amplifier is 30.6 W, corresponding slope efficiency is 39.1%. The two setups, amplifier output laser spectrum finely holds the property of seed laser spectrum, the wavelength of output laser are both 1947.6 nm, the spectrum width is less than 2 nm as same as the wavelength of seed laser. We estimate the beam quality to be M ² = 2.42, clearly indicating nearly diffraction-limited beam propagation.     

Stimulated Brillouin Scattering Enhancement Factor Improvement in a 11.6-GHz-Linewidth 1.5-kW Yb-Doped Fiber Amplifier

The stimulated Brillouin scattering(SBS) threshold enhancement factor in a pure white noise linewidth broadening Yb-doped fiber amplifier(YDFA) with a short large mode area fiber is theoretically and experimentally studied.We demonstrate a 1064.08 nm,11.6 GHz linewidth,1.5kW output power YDFA with an SBS threshold enhancement of ~57(26 W SBS threshold with single frequency seed).The output beam is near-diffraction limited with a beam quality factor of M~2 = 1.15 and a slope efficiency of up to 87%.No SBS or stimulated Raman scattering effects are observed in the whole power range.Further power scaling is limited by the available pump power in our system.     

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.     

高功率梯度掺杂增益光纤温度特性理论研究

在高功率光纤激光器中, 增益光纤的热效应是限制激光功率进一步提高的重要因素之一. 为了降低增益光纤的最高温度, 提出了一种通过改变增益光纤的掺杂浓度分布, 分散光纤激光的热效应, 从而提高激光输出功率的方法. 基于速率方程模型和热传导模型, 在光纤激光放大器输出功率大致相当的情况下, 对几种不同掺杂方式下增益光纤中的热分布和放大器的输出功率进行了数值模拟. 研究结果表明: 增益光纤的梯度掺杂可以优化光纤中的温度分布并提高光纤熔接点的稳定性; 同时兼具提高输出光束的光束质量、抑制光纤中非线性效应和模式不稳定的效果, 是提高光纤激光放大器输出功率切实可行的办法. 研究结果可以为高功率光纤激光器中增益光纤的设计提供一定的参考.     

100 W级全光纤化线偏振单频光纤放大器

报道了一种基于主振荡功率放大结构的全光纤化1064 mm线偏振单频光纤放大器。种子源是一个线宽约为3 kHz的单频光纤激光器。输出功率为50 mW的种子激光经两级掺Yb保偏双包层光纤(光纤纤芯直径分别为10 μm和20 μm)和一级手性耦合纤芯增益光纤放大后,最终获得了输出功率138 W、光束质量M2≤1.2、偏振消光比优于18 dB的高功率单频光纤激光输出。在脉冲调制模式下,获得了峰值功率465 W、脉宽宽度约为500 μs的线偏振单频光纤激光输出。     

128 W单频线偏振光纤放大器特性研究

高功率单频激光在激光雷达、光谱学、精密测量等领域具有广阔的应用前景.采用中心波长为1064 nm、光谱线宽为20 kHz、偏振消光比（PER）高于20 dB的单频线偏振分布式反馈光纤激光器做种子源（尾纤输出功率约为10 mW）,利用种子注入主振荡功率光纤放大技术,通过两级级联放大实现了128 W高功率单频、线偏振、近衍射极限单模连续激光输出.主放大器光-光效率达到83%,PER高于12 dB.采用分段温控技术有效地提高了光纤中的受激布里渊散射（SBS）阈值,实验中未观察到明显的放大自发辐射和SBS现象,进 关键词： 掺Yb光纤放大器 主振荡功率光纤放大 单频 线偏振