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。     

自研20μm/400μm保偏光纤基于振荡器种子实现4 kW突破

高功率窄线宽光纤激光器在相干合成、光谱合成以及非线性频率转换等领域发挥了重要的作用，吸引了大量国内外研究人员的广泛关注。近年来，华中科技大学武汉光电国家研究中心光纤激光技术团队持续进行优秀的国产化高功率窄线宽线偏振光纤激光技术的研究工作，2022年，课题组采用基于振荡器的种子源加自研的保偏掺镱光纤先后实现单正向1.2 kW和单反向3.2 kW的线偏振窄线宽光纤激光输出。近期，课题组进一步优化保偏掺镱光纤的掺杂组分，并改良振荡器种子源设计来抑制窄线宽保偏放大过程中的TMI和受激布里渊散射（SBS）效应，最终实现了输出功率4.1 kW的窄线宽线偏振全光纤激光输出。     

国产纺锤形增益光纤主振荡功率放大器实现5 kW输出

设计了纤芯直径小—大—小变化的“纺锤形”增益光纤,利用该光纤可均衡模式不稳定和受激拉曼散射抑制的矛盾,提升光纤激光器的输出功率。基于自研的纺锤形增益光纤搭建了主振荡功率放大器（MOPA）,实现了5 kW的功率输出,放大器光光效率为66.6%,拉曼散射抑制比大于45 dB,M2因子约2.0。通过优化光纤的设计,可以提升激光器的光束质量和效率。     

1.5kW全光纤线偏振激光器

报道了一台全光纤结构的1.5kW线偏振光纤激光器。激光器采用振荡器结合一级放大的主振荡功率放大器(MOPA)方案。振荡器中心波长为1080nm,工作时输出功率30 W,经放大器一级放大后实现近衍射极限输出,功率达到1.5kW,光-光效率81.5%,消光比13.8dB。这是目前线偏振光纤激光器输出功率的最高值。     

高功率连续波掺镱光纤激光器研究进展

高功率连续波掺镱光纤激光器因具有电光效率高、光束质量好、热管理方便等优点,在工业加工、军事国防、科学研究等领域得到广泛应用,但是高功率条件下的非线性效应和热效应限制了其输出功率的进一步提升。基于此,本文重点分析了受激拉曼散射非线性效应和热致模式不稳定现象的形成机理和抑制方法,为高功率光纤激光系统的设计与集成提供了参考,并详细介绍了2015年以来为克服两种因素的影响所取得的最新研究成果,最后展望了高功率连续波掺镱光纤激光器的发展趋势。     

基于M型掺镱光纤的近单模2 kW光纤放大器

模式不稳定效应和非线性效应已经成为高功率光纤激光器中限制输出功率和光束质量进一步提升的主要障碍.采用改进的化学气相沉积工艺结合溶液掺杂技术制备25/400μm的M型掺镱双包层光纤,纤芯和中间凹陷区域的数值孔径分别为0.054和0.025.基于该光纤搭建976 nm双向泵浦全光纤结构放大器.在泵浦光功率为3283 W时,获得2285 W中心波长为1080 nm的激光输出,3 dB线宽为3.01 nm,测量的光束质量因子为1.42,且未出现受激拉曼散射现象.这是目前基于M型掺镱光纤实现的最高输出功率,通过优化光纤结构参数实现功率进一步提升是有希望的.     

高峰值功率掺Yb3+石英光纤脉冲单频MOPA

报道了基于掺Yb³⁺石英有源光纤的高峰值功率脉冲单频激光主振荡功率放大器(MOPA)。实验研究了主放大器中有源光纤长度对脉冲单频激光峰值功率、受激布里渊散射(SBS)阈值和光-光转换效率的影响,为优化激光器的转换效率和抑制SBS效应提供了依据。当使用的有源光纤长度为0.9 m时,21 W泵浦功率下脉冲宽度为2.4 ns、重复频率为20 kHz的1064.4 nm脉冲单频激光的平均输出功率为4.37 W,且没有明显的连续波放大自发辐射(ASE)成分,对应的单脉冲能量为0.22 mJ,峰值功率可达91 kW。最大输出功率时脉冲单频激光光谱线宽为279 MHz,光信噪比为45 dB,光束质量因子M2为1.44。     

输出平均功率大于2W的高功率、包层抽运、超短脉冲铒镱共掺光纤激光器

采用主振荡功率放大的方式，研制成功集宽带波长连续可调谐、带宽内输出功率谱均衡、高重复频率和高功率性能于一体的超短脉冲包层抽运铒镱共掺光纤激光器.将优化主振荡器和功率放大器的腔结构与掺铒光纤的饱和增益特性结合起来，实现了1535nm—1570nm(35nm带宽)的输出功率均衡的波长连续可调谐激光输出，在带宽内激光功率的最大波动仅为0.5dBm；带宽内平均输出功率大于2W、脉冲重复频率大于10GHz、脉冲宽度小于30ps.该激光器具有综合性能指标先进、结构简单、全光纤化、使用方便等优点. 关键词： 光纤激光器 包层抽运 短脉冲 高重复频率     

双端输出全光纤振荡器突破8 kW高功率输出

双端输出光纤激光振荡器可以通过一个单谐振腔结构实现两路激光输出,能够减少高功率光纤激光系统的体积和成本,在工业领域有着很好的应用前景。基于双端泵浦谐振腔结构,采用稳波长981 nm光纤耦合半导体激光器（LD）泵浦纤芯/包层直径为30/400μm的双包层掺镱光纤,首次实现了总功率大于8 kW的双端输出光纤激光振荡器。在总最高泵浦功率为10.951 kW时,A端输出功率为3769 W, B端输出功率为4400 W,总功率为8169 W,激光器光-光转换效率74.6%,A、B端激光光束质量M2因子分别约2.13和2.36。在最高输出功率时,两端输出激光中均未观察到动态模式不稳定效应（TMI）和受激拉曼散射（SRS）,通过进一步增加泵浦功率,有望实现更高功率的激光输出。     

342W全光纤结构窄线宽连续掺铥光纤激光器

报道了一个全光纤主振荡功率放大结构的窄线宽连续掺铥光纤激光器,该激光器由窄线宽连续掺铥光纤激光种子源和两级包层抽运掺铥光纤放大器组成.自制的窄线宽掺铥光纤激光种子源经过两级高功率包层抽运掺铥光纤放大器之后,最高平均输出功率为342 W,掺铥光纤功率放大器的斜率效率为56%,输出激光的中心波长为2000.3 nm,3 d B光谱带宽仅为90 pm.在放大过程中,功率放大器的反向监测端没有观察到受激布里渊散射效应,输出功率仅受限于当前可用的793 nm半导体抽运源的功率.据我们所知,该结果为目前国际上2μm波段全光纤结构窄线宽激光器所产生的最高输出功率.     

后向泵浦高功率掺镱光纤放大器的非弹性散射效应

 在考虑受激布里渊散射和受激喇曼散射效应的基础上,数值求解了双包层掺镱光纤放大器的速率-传输方程,分析了后向泵浦高功率掺镱光纤放大器在不同信号光线宽、光纤长度和纤芯直径下的输出特性,研究了受激布里渊散射和受激喇曼散射的抑制条件。计算结果表明:在后向泵浦方式下,若掺镱光纤长度小于0.68 m,纤芯直径大于26 μm,信号光线宽大于0.04 nm,则放大过程中的受激布里渊散射和受激喇曼散射能同时得到有效抑制。     

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。     

双包层光纤激光器的受激拉曼散射与热应力

 建立了高功率掺镱双包层光纤激光器的速率方程模型与热应力模型,对影响受激拉曼散射效应和热应力效应的关键参数（如纤芯半径、光纤长度、泵浦波长、泵浦方式）进行了数值模拟。结果表明:对于较小的纤芯半径,光纤内的斯托克斯光功率较大且增长迅速,因此增加纤芯半径能有效减弱受激拉曼散射效应;减小光纤长度能提高受激拉曼散射的阈值,而纤芯的热应力也增大,因此在不出现热应力引起光纤断裂的情况下,可以减小光纤长度以提高输出功率;采用976 nm波段泵浦源能提高输出功率,降低热应力的影响;两端均匀泵浦方式可以有效降低纤芯热应力,同时维持高功率输出。     

LD直接泵浦全光纤激光器输出功率突破20 kW

高功率光纤激光器具有高效率、小体积、低成本、抗回光能力强等突出优点,在工业加工等应用领域中具有明显的竞争优势。近期,国防科技大学基于光纤耦合半导体激光器(LD)直接泵浦的主振荡功率放大器(MOPA)实现了单纤20.27 kW的功率输出。放大器采用纯后向泵浦方案,中心波长1080 nm,光光效率达到84.8%,拉曼散射抑制比大于50 dB。通过优化光纤和器件的设计,可进一步提升激光器的功率和光束质量。     

3.5 kW 1050 nm近单模全光纤激光放大器

基于后向泵浦结构搭建了1050 nm光纤激光放大器,将20/400μm的双包层大模场掺镱光纤作为增益光纤,采用976 nm稳波长半导体激光器作为泵浦源。通过优化增益光纤长度,对短波长光纤放大器中的放大自发辐射效应进行抑制。采取优化种子时序稳定性的方法提升受激拉曼散射效应的阈值,实现了最高3.5 kW的功率输出。在最高输出功率下：输出激光在X方向和Y方向的光束质量因子分别约为1.33和1.25,此时的3 dB带宽为4.07 nm,光光转换效率为86.3%;时域信号稳定,没有出现模式不稳定现象。     

百瓦级全光纤结构单频掺铥主振荡功率放大器

报道了平均功率超过百瓦的单频掺铥全光纤结构主振荡功率放大器。使用线宽小于100kHz、中心波长为1.97μm的单频种子源进行级联放大,主放大器的斜率效率为50%。监测放大器的回光功率和光谱,没有发现受激布里渊散射以及其他非线性效应。通过增加泵浦功率,可以获得更高功率的掺铥单频放大输出。     

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。     

单模光纤激光极限功率的数值研究

对光纤激光极限功率的探索和其受限因素的分析, 有利于为大功率光纤激光器的发展提供理论依据和实验指导. 本文考虑热效应、光效应、非线性效应和抽运亮度等因素对光纤激光极限功率的影响, 分析了掺镱和掺铥光纤的极限功率和受限因素. 在此基础上, 结合激光在光纤中单模传输的条件, 计算了单模掺镱和掺铥光纤激光的极限功率. 计算结果表明, 在现有技术条件下, 使用常规的976 nm和793 nm激光二极管抽运, 单模掺镱和掺铥光纤激光的极限功率分别为4.2 kW和7.8 kW, 其中单模掺铥光纤激光的功率水平还远低于它的极限功率的原因是受抽运亮度的限制. 最后分析指出减小纤芯的数值孔径和改进少模光束的光束质量是提升单模光纤激光极限功率的重要途径.     

高功率掺镱光纤激光器的辐照影响分析及研究进展

高功率掺镱光纤激光器在空间环境中的应用日益增多,但掺镱光纤材料在空间辐照条件下会产生色心效应,导致损耗增加,影响光纤器件以及激光器整机的性能,从而给高功率光纤激光器在空间环境的长期稳定工作带来隐患。从空间辐照对高功率光纤激光器性能的影响机理、抑制方法和研究进展等3个方面进行介绍。首先介绍了空间辐照对高功率掺镱光纤激光器中关键光学器件、放大级热负载、非线性效应等方面的影响分析,其次介绍了抑制辐照效应的典型方法及其在高功率掺镱光纤激光器中的可行性分析,最后介绍了国内外典型的高功率掺镱光纤激光器的辐照影响及抑制的研究成果,并展望了未来发展趋势。     

双端泵浦5 kW环形光束光纤激光振荡器

基于双端泵浦结构搭建了光纤激光振荡器，采用25/400μm（纤芯直径为25μm,包层直径为400μm）大模场双包层掺镱光纤作为增益介质，采用波长为915 nm的半导体激光器作为泵浦源。通过光纤选型、合理配比前后向泵浦功率及模式控制，实现了对光纤受激拉曼效应及动态模式不稳定效应的抑制。该光纤激光振荡器在泵浦功率为7.5 kW下的最大输出功率达到5.08 kW,光光转换效率为68%,受激拉曼抑制比为37 dB,其时域特性稳定，没有出现动态模式不稳定现象。最大输出功率下，出射激光在X方向和Y方向的光束质量（M²）测量结果分别为2.483和2.514,远场光斑形态为环形，环状区域与中心区域的光强之比为1.6。在最大输出功率下该光纤激光振荡器连续工作1 h无异常，各部位光纤器件的温度均处于可接受范围。