高功率掺镱双包层光纤激光器中光纤损伤及其理论分析

针对高功率掺镱双包层光纤激光器热效应引起的光纤损伤情况,由热传导方程,结合边界条件推导了两端泵浦情况下双包层光纤激光器光纤内的温度分布及热效应引起的应力分布,并对光纤内的温度分布和应力分布进行了数值模拟.结合模拟结果,对光纤的损伤进行了解释,分析了引起光纤热效应的主要因素.对两端泵浦情况的模拟与分析符合高功率光纤激光器的实际工作情况,这对优化高功率光纤激光器的设计有一定的参考价值.     

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。     

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。     

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。     

运用泵浦耦合器和飞秒刻蚀光栅制作的全光纤化掺铥光纤激光器(英文)

全光纤化掺铥光纤激光器作为光学参量振荡器的泵浦源,可以实现3～5μm激光输出,在激光雷达和光电对抗领域有着极为重要的应用前景.本文运用全国产化的泵浦光耦合器和双包层掺铥光纤实现了全光纤化掺铥光纤激光器.该光纤激光器采用自制的光纤布喇格光栅作为反射腔镜,增益光纤采用水冷的方式.光纤布喇格光栅通过45fs、800nm的飞秒脉冲光和相位掩模板直接在双包层掺铥光纤上刻蚀得到,泵浦光通过泵浦光耦合器的一端耦合进入增益光纤,产生的激光由泵浦光耦合器的另一端输出.输出激光的最高功率达到22.2W,激光波长为1.96μm,斜率效率约为37%,激光线宽为72.4pm.     

高功率光子晶体光纤激光器温度分布研究

对高功率光子晶体光纤激光器温度分布问题进行了理论研究.在分析光纤热产生机理和结构的基础上,建立了双包层光子晶体光纤激光器稳态切面温度分布简单模型,数值模拟了光纤径向的温度分布、纤芯温度和纤芯-表面温差与纤芯热负载的关系,研究了光纤结构对温度分布的影响;并就激光器光纤泵浦端面的冷却方案进行讨论,数值模拟了外界对流系数不同时纤芯温度的大小.结果表明：对高功率光子晶体光纤激光器采用风冷和水冷的方法可以降低热效应的影响.     

1μm全光纤MOPA结构激光器输出特性研究

主振荡功率放大（main oscillation power amplification, MOPA）结构由于其光束质量良好和参数可调的优点,已成为高功率光纤激光器的主流设计之一。为了改善高功率掺镱光纤激光器（ytterbium-doped fiber laser, YDFL）的输出性能,提高系统的光-光转换效率,文中报道了一台基于915 nm泵浦激光器和双包层掺镱光纤（ytterbium-doped fiber, YDF）的MOPA结构全光纤高功率激光器。该高功率光纤激光器由电调制激光二极管（laser diode, LD）泵浦的种子激光器和掺镱光纤放大器（ytterbium-doped fiber amplifier, YDFA）组成。连续光（continuous wave, CW）工作模式下,激光种子源经过YDFA后,实现了中心波长为1 069.96 nm的激光输出,最大平均输出功率可达945.9 W,MOPA激光器整机的斜率效率高达74.12%,具有良好的稳健性。该研究方案对研制高功率MOPA光纤激光器具有参考意义。     

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。     

高功率光子晶体光纤激光器实验研究

 利用F-P谐振腔实验研究了高功率掺Yb³⁺光子晶体光纤激光器。使用915 nm和976 nm两种波长的泵浦源进行双端泵浦,在23 m长的双包层光子晶体光纤中获得了552 W的连续单模激光输出。该激光器的斜率效率约为76%,光-光转换效率为56%,光谱中心波长为1 078 nm,光束质量平方因子为1.2。     

脉冲泵浦掺镱双包层光纤激光器的动力学研究

对脉冲泵浦的掺镱双包层光纤激光器进行了实验研究.采用重复频率1-10 kHz、脉宽100 μs的976 nmLDs泵浦,实现了脉宽小于10 ns的稳定激光脉冲输出.并对该激光器的动力学过程进行了分析,首次提出了在脉冲泵浦光纤激光器中产生ns脉冲是瑞利散射和受激布里渊散射共同作用的结果.     

多光束纳秒紫外激光制作硅表面微结构

使用波长351 nm的半导体泵浦全固态脉冲激光器（DPSSL）作为光源,经过位相光栅分束,形成干涉光场,在硅表面直接刻蚀微结构,制作了周期为0.55 µm,槽深可达55 nm的一维微光栅和周期为1.25 µm,刻蚀深度45nm的正交微光栅结构。给出了微光栅形貌结构的扫描电子显微镜(SEM)和原子力显微镜(AFM)的测量结果。正交微光栅的一级衍射效率在1.8%到6.3%之间。该研究是改变硅表面微结构,优化硅材料特性的一种新方法,并扩展了大功率激光刻蚀在表面微加工领域的应用。     

Three-dimensional simulation of the temperature field in high-power double-clad fiber laser

The 3D temperature distribution in high-power double-clad fiber laser (DCFL) and the evolution of the temperature field in the fiber are analyzed, according to the transient heat conduction equation. The temperature in the fiber reaches the maximum after opening the pump light about 20 s, and cools down to the room temperature after shutting down for also about 20 s. The shape of the inner-clad can only affect the spacial distribution of the temperature outside of the core, but have no effect on the maximum temperature in the core.     

室温掺铒光纤放大器中实现参量控制无损耗光速减慢传输

本文对掺铒光纤放大器中的光速减慢传输系统进行深入研究,提出一种直接利用掺铒光纤放大器中抽运光 强度和掺铒光纤长度,通过优化控制参量来降低信号光强度损耗系数,从而可以实现无强度损耗光速减慢传输, 研究结果表明:当抽运光功率为3.5 mW时,信号光强度损耗系数近似为零;当抽运光关闭时,掺铒光纤长度为 0.1 m时,信号光强度损耗系数近似为零.     

普通单模石英光纤中频率上转换过程的研究

介绍了在普通通讯用单模ＧｅＯ２／ＳｉＯ２石英光纤中从近红外到可见光的频率上转换过程。利用１．３１３μｍ的调Ｑ锁模Ｎｄ：ＹＬＦ激光脉冲泵浦单模石英光纤，产生了５８８ｎｍ的黄光，峰值功率达２０Ｗ，对应０．０９％的转换效率。     

Stimulated Brillouin scattering slow-light-based fiber-optic temperature sensor

We propose and experimentally demonstrate a method for temperature sensing using stimulated Brillouin scattering (SBS)-based slow light. The approach relies on temperature dependence of the Brillouin frequency shift in a fiber, hence the time delay of an input probe pulse. By measuring the delay, temperature sensing can be realized. We achieve temperature measurement in a 100 m single-mode fiber (SMF) using a cw pump. The main temperature-sensing range is ～18°C from the room temperature, limited by the SBS gain bandwidth. To apply the technique for measurement of a shorter fiber segment, a pulsed pump is used to introduce SBS slow light. Temperature sensing is achieved in a 2 m SMF with a main sensing range of around ～25°C. The scheme is easily implemented, exhibits a relatively high temperature sensitivity with a resolution better than 1.0°C, and is potentially applicable for distributed sensing.     

窄线宽纳秒脉冲光纤拉曼放大器的理论模型和数值分析

窄线宽纳秒脉冲光纤拉曼放大器在非线性频率变换、遥感探测和量子信息等领域有广泛的应用前景.综合考虑受激拉曼散射(stimulated Raman scattering,SRS)、受激布里渊散射(stimulated Brillouin scattering,SBS)、自相位调制(self-phase modulation)和交叉相位调制(cross-phase modulation)等非线性效应,建立了窄线宽纳秒脉冲光纤拉曼放大器的非线性动力学模型.仿真分析了放大器中脉冲激光的时频演化特性,对比研究了抽运脉冲宽度、光纤长度和信号光功率等因素对放大器性能的影响.研究发现,上述因素会影响放大器的SRS阈值、SBS阈值、输出激光线宽、激光转换效率等.例如,当脉冲宽度为800 ns时,SBS随着抽运功率的增加而发生,限制了激光功率的提升;减短抽运脉宽可以抑制SBS,但是输出激光的线宽易于展宽到数百MHz以上;增加光纤长度可以获得更低的SRS阈值和更高的转换效率,但是SBS效应和光谱展宽程度也随之增强.系统搭建中需要平衡各非线性效应,选择合适的系统参数.研究内容可以为窄线宽纳秒脉冲光纤拉曼放大器的设计搭建提供参考.     

Effect of Brillouin slow light on distributed Brillouin fiber sensors

The effect of Brillouin slow light on distributed Brillouin fiber sensors (DBFSs) is studied. We demonstrate Brillouin slow light for a 1.2 ns pulse with peak powers (PS) from 3.3 to 56.2 mW on depletion of the pump power (PP) ranging from 1.3 to 83.2 mW in conventional optical fibers (SMF-28). Experiments show that, when pump power depletion is not negligible, for a given PP the Brillouin gain and delay time of a pulse decrease when PS increases in a long (> or =10 km) sensing fiber. The optimum pump beam depletion resulting from strong interaction of the pump and the probe in the fiber provides accurate temperature and strain information at a high spatial resolution. Our study reveals that at low PP the spatial resolution error caused by the pulse delay for a DBFS with centimeter spatial resolution is less than 5% of the pulse length.     

光子晶体光纤中超连续谱产生的理论与实验研究

研究了光子晶体光纤中超连续激光光源的产生机理.利用非线性偏振旋转技术产生的中心波长为1 556.0 nm的飞秒光脉冲作为泵浦光源,在69 m长的高非线性光子晶体光纤中,得到了20 dB带宽约为140 nm的超连续谱;采用实验和数值模拟方法,研究了不同泵浦功率下超连续谱形成的过程.结果表明,在不同的泵浦功率下,超连续谱的形成机理不同,在各种非线性效应的共同作用下,泵浦光脉冲的峰值功率越高,得到超连续谱的带宽越宽,实验与数值模拟结果一致.另外,要想获得平坦的宽带超连续谱,必须选择合适的光纤长度.     

High efficiency, high repetition rate, all-fiber picoseconds pulse MOPA source with 125?W output in 15?μm fiber core

A passive mode-locked fiber laser-delivered 13?ps pulse is saturatedly amplified with a four-stage amplifier chain. 125?W high power all-fiber picoseconds pulse laser is demonstrated in a 15-??m fiber core, and the optical-to-optical conversion efficiency of the main amplifier is up to 86.12?%. A home-made (6?+?1)?×?1 fiber combiner is used to couple the pump light and signal light into the gain double cladding fiber. In order to suppress the nonlinear effects in high-power picosecond fiber amplifiers, the repetition rate of the seed pulse is increased from 60?MHz to?~1?GHz; also the gain fibers are advisably selected. The amplified output spectrum is symmetrically broadened to several nanometers due to self-phase modulation (SPM). No stimulated Raman scattering (SRS), amplified spontaneous emission (ASE) and residual pump light are observed and the optical signal-to-noise ratio is more than 30?dB. The all-fiber picoseconds MOPA laser in this report can be easily performed with the conventional fiber handing equipments, and it has great potential to be applied as pump source in the fields of optical parametric oscillator, laser frequency-doubling and supercontinuum generation.     

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。