1018 nm短波长掺镱光纤激光高功率自组织相干合成

搭建了两台高功率、低量子损耗的1018 nm短波长掺镱光纤激光器,进行了全光纤结构下两路光纤激光器的相干合成实验。获得了功率为55 W、合成效率为90.2%的相干输出,这是当前严格单模1018 nm光纤激光器的最高功率水平。同时,验证了Michelson腔自组织相干合成技术能够实现光纤激光器的高功率单模输出。     

利用全光纤结构Michelson腔实现两路高功率双包层光纤激光器相干合成

Michelson腔技术是实现激光相干合成的有效方案. 利用Michelson腔技术, 实现了全光纤结构下的两路光纤激光器的相干合成, 获得了功率为11.75 W, 效率为95.76%的相干输出. 实验研究了相干合成效率与激光腔长差的关系以及抽运对称性对相干合成效率的影响. 实验表明相干合成效率极易受激光腔长差的影响, 不同腔长差下相干合成效率差异可达18%以上, 且存在最佳腔长差; 抽运对称性对相干合成效率的影响在2%以内.     

高功率光纤激光部分相干合成的可行性及效果分析

提出部分相干合成的概念,论证了谱线宽度和偏振特性并不是影响高功率光纤激光部分相干合成的瓶颈.与完全相干合成的理想情形相比,随着光束线宽的增大,部分相干合成光束的远场光斑图样基本保持不变,但峰值强度和斯特尔(Strehl)比随之减小,光斑能量越来越分散.利用数值计算的方法对部分相干合成与非相干合成光束的远场效果进行了比较分析.计算结果表明,尽管线宽的存在降低了部分相干合成的效果,但与非相干合成相比,部分相干合成的光束仍具有较大优势.     

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。     

基于高功率激光输出端相位控制的光纤激光相干合成

利用压电陶瓷相位调制器在高功率光纤激光输出端进行相位控制,实现了两路瓦量级光纤激光相干合成.系统闭环时长曝光图样的条纹可见度为98%,峰值强度是开环情形下的1.87倍.     

三路掺镱光纤放大器的相干合成实验研究

光纤激光相干合成技术是实现高功率、高亮度光纤激光系统的重要技术途径。采用主振荡并联放大器（MOPA）方案对三路掺镱光纤放大器进行实时相位探测与校正,其中每路光纤放大器的输出功率大于等于1 W,三路总功率大于等于3 W。采用铌酸锂光纤相位调制器,外差法系统的移频量为40 MHz,相位探测与校正精度优于l/20,整个光路为全保偏光路。实验分别给出了两路和三路光纤放大器的相干合成结果。系统开环时,远场光斑为动态、模糊干涉条纹,条纹可见度为7%和6%;系统闭环运行时,远场光斑为稳定、高对比度干涉条纹,条纹可见度有大幅度提高,达到44%和48%。这表明闭环控制使两路和三路光纤激光的相位变化得到了有效补偿,系统实现了相位锁定运行和高相干度合成输出。     

选频元件对光纤激光器自组织相干合成的影响

采用不同中心谱线、不同谱线宽度的选频元件进行实验,研究选频元件谱线特性对相干合成效率的影响。实验表明:选频元件中心谱线越接近,相干合成效率越高;与此同时,选频元件的谱线宽度越宽,线形越接近重合,相干合成效率也越高,接近理想值100%。在此基础上,利用中心谱线一致的宽谱选频元件,实现两路掺Er光纤激光器的相干合成,输出功率为375 mW,相干合成效率高达99.3%。     

两路光纤激光器自组织相干合成实验研究

 建立了两路光纤激光器自组织相干合成的理论模型,并进行实验验证。结果表明,通过能量的相互注入,可以实现光纤激光器的自组织相干合成,合成效率达到92%。当外界基本没有干扰时,远场光斑为稳定、高对比度的干涉条纹,激光器阵列输出模式为异相模,与理论分析的结果一致;当外界环境存在轻微干扰时,实验出现条纹移动现象,输出模式也不再是恒定的异相模。对外界干扰对自组织相干合成的影响进行了数值分析,结果表明：外界干扰的幅度与频率越大,两束激光的相位差的变化幅度与频率也就越大;当外界干扰超过一定程度,两束激光之间的相位差将不能被锁定,始终处于变化状态。     

选频元件对光纤激光器自组织相干合成的影响

采用不同中心谱线、不同谱线宽度的选频元件进行实验,研究选频元件谱线特性对相干合成效率的影响。实验表明：选频元件中心谱线越接近,相干合成效率越高;与此同时,选频元件的谱线宽度越宽,线形越接近重合,相干合成效率也越高,接近理想值100%。在此基础上,利用中心谱线一致的宽谱选频元件,实现两路掺Er光纤激光器的相干合成,输出功率为375 mW,相干合成效率高达99.3%。     

高功率光纤激光的时间部分相干性对相干合成的影响

 将多个光纤激光器的输出光束进行相干合成是获得高功率、高光束质量激光的有效途径。利用准部分相干光(PPCB)模型,计算了高功率光纤激光器阵列发出的部分相干光在远场的能量分布,分析了激光的时间部分相干性对相干合成的影响。计算结果表明,随着单根激光器输出光束线宽的增大,远场光斑的图样基本保持不变,但峰值功率和Strehl比随之减小。对于采用的算例,要保证远场光斑的Strehl比大于0.8,单根光纤激光器的线宽不能超过5 nm。     

基于功率合束器的多路光纤激光自组织相干合成

提出了基于功率合束器的多路光纤激光自组织被动相干合成结构,研究了多模状态下泵浦功率、合成路数对激光合成效率和光束质量的影响,并对2,3,4路激光合成进行了实验研究,合成效率大于90%。实验结果表明:激光中心主瓣所占能量比随着泵浦功率的增加而增大,随激光合成路数增多而增大;在相同的输出功率下,单路激光的主瓣所占能量比比合成激光主瓣所占能量比要高;降低输出光栅反射率,激光输出能量增强,但合成效率有所降低;增加功率和增加路数可以增加中心亮斑的能量比,但增加幅度变低。     

基于功率合束器的多路光纤激光自组织相干合成

提出了基于功率合束器的多路光纤激光自组织被动相干合成结构,研究了多模状态下泵浦功率、合成路数对激光合成效率和光束质量的影响,并对2,3,4路激光合成进行了实验研究,合成效率大于90%。实验结果表明：激光中心主瓣所占能量比随着泵浦功率的增加而增大,随激光合成路数增多而增大;在相同的输出功率下,单路激光的主瓣所占能量比比合成激光主瓣所占能量比要高;降低输出光栅反射率,激光输出能量增强,但合成效率有所降低;增加功率和增加路数可以增加中心亮斑的能量比,但增加幅度变低。     

All-fiber coherent beam combining of fiber lasers

One half of a 2x2 fused taper single-mode fiber coupler is used for the all-fiber spatial and spectral beam combining of two fiber lasers.     

1137 nm长波掺镱光纤激光器的出光实验

分别使用976 nm半导体激光器和1040 nm光纤激光器作为泵浦源,实现了1137 nm长波光纤激光器的出光,输出功率均超过百mW。激光器采用相同的线性腔结构,高反光栅和低反光栅的反射率分别为99.6%和39.7%,增益介质是一段8 m长的掺镱光纤,纤芯直径5 m。当976 nm半导体泵浦功率为912 mW时,1137 nm激光输出功率为182 mW,对应的斜率效率为28.5%;当1040 nm激光功率为1.59 W时,输出的1137 nm激光功率为278 mW,斜率效率约为25%。在此基础上对两种泵浦方式进行了对比分析。     

Numerical analysis of coherent combination for fiber lasers and application to beam steering

A coherent combination model of fiber lasers has been established. The relative beam quality factor has been introduced and studied as a proper beam quality factor for the combined coherent beam. The disturbance of the phase shift, polarization degradation, distribution characteristic, the wave-front aberration and the tilt error has been numerically studied to investigate their effects on the beam quality. This model has been also used to analyze the control of beam steering. The results have shown that the impact of the phase shift on the combination is more serious than that caused by polarization degradation, and the coherence degradation caused by the phase grating is more severe than that caused by the phase shifter.     

掺镱双包层高功率光纤激光器热效应的理论研究

针对高功率掺镱双包层光纤激光器（DCFL）的热效应,由热传导方程并借助速率方程模型导出温度分布的解析解,研究了泵浦方式和泵浦吸收系数对DCFL腔内温度的影响。结果表明：温度沿径向的变化与轴向相比可以忽略;采用传统端面泵浦会导致DCFL局部温度过高,实际中应使用两端对称泵浦方式;而减小泵浦吸收系数虽可改善温度特性但会降低系统的输出功率。进一步分析得出,综合采用分段泵浦方式和不均匀泵浦吸收系数可实现温度分布和输出功率的最佳匹配。