高功率光子晶体光纤放大器实验研究

利用掺Yb³⁺的光子晶体光纤作为光纤放大器的增益介质,采用反向抽运方式,分别从理论和实验方面研究了不同信号的增益特性,在信号光功率为6W,抽运光功率为160W时,获得了104W的输出功率.实验发现,当抽运功率大于一定值时,放大器输出会有一定的不稳定性,并影响输出功率的进一步提高. 关键词： 光子晶体光纤 光纤放大器 反向抽运 高功率     

780W全光纤窄线宽光纤激光器

高功率窄线宽光纤激光器在相干探测、功率光谱合成等方面具有广泛的应用前景.分析了高功率窄线宽光纤激光器中受激布里渊散射效应的抑制方法,以及正弦相位调制光谱展宽理论.采用正弦相位调制技术将单频激光器的线宽展宽至2.9 GHz,通过三级放大结构对输出功率为50 mW的窄线宽种子源进行放大,实现了中心波长1064.34 nm、线宽2.9 GHz、最大功率780 W的激光输出,光—光转换效率79%,光束质量M2x=1.44,M2y=1.43.分析了相位调制前后输出功率提高的原因,认为正弦相位调制增加的纵模降低了光纤中的功率谱密度,提高了输出激光的受激布里渊散射阈值,促使相位调制后的输出功率大幅提高.该激光器的输出功率仅受限于抽运功率,进一步提高抽运功率,有望实现更高功率的窄线宽光纤激光输出.     

2 kW级光纤激光相干偏振合成

基于主动锁相相干偏振合成系统实现了四路500 W级全光纤窄线宽保偏放大器的共孔径合成输出。当相位控制系统处于闭环状态时, 整个合成系统的输出功率达2164 W, 合成效率为94.5%。实验中, 随着功率的提升, 合成效率未发生明显退化。这是目前相干偏振合成系统的最高输出功率。     

单频光纤拉曼放大器的实验研究

本文进行了1031 nm抽运光对1080 nm单频信号光的拉曼放大实验,详细研究了单频信号光种子功率、拉曼增益光纤长度、抽运方式等因素对 单频光纤拉曼放大器(SF-FRA)输出特性的影响.结果表明,在未受受激布里渊散射(SBS)因素限制时,相同抽运功率条件下,单频信号光种子功率越高,SF-FRA的效率越高;拉曼增益光纤越长,SF-FRA的效率越高;前向抽运时,SF-FRA的效率较高.实验中发现SF-FRA的拉曼放大过程对单频信号光的线宽有较小的展宽.此外,单频信号光远场干涉短曝光图像的对比度为0.814,单频信号光与SF-FRA放大光远场干涉短曝光图像可见度为0.719,表明SF-FRA对单频信号光的相干性有一定影响.实验结论可为其他特殊波长SF-FRA的设计提供一定的参考.     

两光子晶体光纤激光器相干锁定的实验研究

利用自成像腔技术进行光子晶体光纤(PCF)激光器光束相干合成的实验研究,实现了两光子晶体光纤激光器的相位锁定.在不使用滤波器的情况下,实验仍能观测到清晰的下涉图样,且在高功率输出状态以及环境噪声情况下干涉图样仍可保持稳定,表明具有单模大模场特性的光子晶体光纤在实现光束相干合成方面比传统的双包层光纤(DCF)有明显的优越性.实验还表明耦合输出镜的反射率对相干输出功率有一定影响,当反射镜的反射率分别为5%,10%和15%时,两台激光器相干输出斜率效率分别为63.8%,61.6%和60.2%.在抽运功率为150 W和耦合输出镜的反射率为5%时,获得95.8 W的最大相干功率输出,相干功率合成效率为90.2%.实验中无任何热光效应产生,有望利用该方法获得更高的相干输出功率.     

双向抽运拉曼光纤放大器性能的研究

对双向抽运拉曼光纤放大器(RFA)的噪声特性、增益饱和及抽运功率转换效率进行了详细研究。结果表明,双向抽运拉曼光纤放大器的噪声特性介于前向抽运与后向抽运之间,但主要取决于前向抽运方式所导致的噪声特性;双向抽运方式的饱和功率低于单向抽运方式的饱和功率,同前向抽运与后向抽运提供的增益比例有关;双向抽运方式的抽运功率转换效率同信号光功率及前、后向抽运提供的增益有关,当信号光功率较低时,增加前向抽运的比例可取得较高的抽运功率转换效率,而信号光功率较高时,增加后向抽运的比例可取得较高的抽运功率转换效率。研究一种配置(情况3)的双向抽运拉曼光纤放大器,可以完全补偿100km传输线路的损耗(包括无源器件的损耗),最低光信噪比为30．21dB。     

基于MOPA结构的1120nm掺Yb光纤放大器

基于主振荡功率放大器,采用1120nm光纤激光器作为种子激光,将其注入20m大模场面积单模双包层掺Yb光纤放大器,并用976nm半导体激光器泵浦实现了1 120nm信号光输出.实验中将注入种子激光功率预设为10mW,当半导体激光器泵浦功率增大至1.5 W时,放大器系统开始输出1 120nm信号光.当泵浦功率低于3.4W时,信号光功率随泵浦功率缓慢增长,系统斜率效率较低;而当泵浦功率高于3.4W时,信号光功率随泵浦功率线性增长,斜率效率明显增大,达到48.5%.限于最大注入泵浦功率为6.8W,放大器输出最高1 120nm信号光功率为1.97W,总的光-光转化效率为29%.输出信号光中心波长为1 120.89nm,线宽为0.02nm,极好地保持了种子激光的特性.结合实验情况,利用双包层光纤放大器的稳态理论模型,采用有限差分方法模拟了放大器输出信号光功率随泵浦光功率的变化曲线,结果显示理论模拟所得变化趋势与实验结果吻合良好,系统将在泵浦功率达到200W左右时达到饱和状态,说明目前光纤放大器系统具有很大的功率提升空间.     

基于光纤拉曼放大的级联式全光纤1020nm光源

设计并制作了输出功率为196 mW的级联式全光纤1020 nm光源.该光源采用光纤拉曼放大器与掺镜光纤放大器级联的放大方案,实现了对低功率1020 nm种子光的放大.在光纤拉曼放大级,采用了3段不同长度的拉曼增益光纤进行了对比实验,比较了一定信号光功率和抽运光功率下拉曼增益光纤长度对光纤拉曼放大级输出功率的影响;测量了...     

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.     

1018nm光源及光纤激光同带抽运实验研究

设计了级联式全光纤1018nm光源。该光源采用两级级联放大方案,实现了对低功率1018nm种子光的放大,获得了4.2W的最大输出功率,并分析了影响放大效率的因素。以获得的1018nm激光为抽运源,进行了1070nm信号光的同带抽运放大器实验研究,测量了放大器的输出特性。在纤芯抽运实验中,获得了明显的放大效果和较高的功率转换效率。进行了瓦量级包层同带抽运的实验研究,分析了导致包层抽运实验中功率转换效率偏低的原因并提出了解决方案。     

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。     

单端泵浦光纤放大器获得4 kW单模窄谱激光输出

窄谱光纤激光器在光束合成等领域有着广泛的应用,然而模式不稳定效应的出现严重限制着窄谱光纤激光器的功率提升。提出并验证了采用新型981 nm稳波长泵浦方案,能够应用于窄谱激光放大并提升模式不稳定效应阈值,通过采用单端后向泵浦结构,将单模窄谱光纤放大器功率提至4 kW以上。实验中采用白噪声相位调制展宽单频激光作为窄谱种子,主放大级分别采用稳波长976 nm和981 nm两种泵浦源单端后向泵浦。在采用976 nm泵浦源泵浦时,窄谱激光最高放大至3.4 kW,出现典型的模式不稳定效应特征,功率提升受到限制。在采用981 nm泵浦源泵浦时,窄谱激光最高放大至4.05 kW,且并未出现模式不稳定效应,输出光束质量M2因子为1.3,进一步功率提升仅受限于泵浦功率。通过优化激光器设计、结合双向泵浦结构,有望实现更高功率的窄谱光纤激光输出。     

Amplification of a <Emphasis Type="Italic">Q</Emphasis>-Switched Ho:GdVO<Subscript>4</Subscript> Oscillator in Thulium-Doped Large-Mode-Area Fiber

We report a high peak power, narrow linewidth, stable pulsed Ho:GdVO₄ amplifier based on thuliumdoped fiber, which produces 6.65 W average output power at 2,048 nm and 56.8 kW peak power with 11.7 ns pulse width at 10 kHz repetition rate. We use a simple Q-switched Ho:GdVO₄ laser as a seed laser and a thulium-doped fiber pumped by a 792 nm laser diode as an amplifier. The fiber amplifier provided 6.5 dB gain to the input signal. The spectral linewidth of the Ho:GdVO₄ amplifier remains < 0.5 nm with an M² beam quality of 1.36.     

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.     

光谱线宽与中心波长可同时调谐的高功率光纤激光实现3kW输出

光谱灵活可调的高功率光纤激光在光谱合束、光声光谱检测和非线性频率变换等方面具有独特优势,近年来受到国内外研究人员的广泛关注。基于光谱灵活可调的超荧光光纤种子源,通过主振荡功率放大器结构实现了光谱中心波长1065～1085 nm可调谐、3 dB线宽2.4～13.8 nm可调谐的3 kW光纤激光输出。     

全光纤结构高功率主振荡功率放大型单频光纤激光器

研制了一台全光纤结构主振荡功率放大型掺镱单频光纤激光器。该光纤激光器包括种子激光器和级联放大器两部分。种子激光器是自行搭建的环形腔结构的单频窄线宽光纤激光器。在976 nm半导体激光器泵浦下,能够输出线宽为10 MHz量级、波长为1 079.88 nm的单频光,激光功率为10.02 W,光-光转化效率为58.9%,斜率效率为65.3%。     

近距离激光外差探测光学极限位移分辨率

通过统计理论和维纳-辛钦定理推导出激光外差探测系统光电流的功率谱函数,分析了光电流谱线分布与激光光源线宽、中频信号频率以及信号光相对本振光传输延迟时间的关系,修正了相关文献中光电流功率谱的理论公式.根据信号与噪声理论建立了激光线宽引起的相位噪声的一维概率分布模型,并据此得到了基于激光波长、探测距离以及激光线宽的极限位移分辨率的数学模型.对光电流的功率谱和外差光学极限位移分辨率进行了相关的数值仿真,结果表明延迟时间与相干时间的关系决定光电流谱线分布的情况.当激光波长为532 nm,激光线宽在1 kHz,探测距离为100 m时,光学极限位移分辨率为0.266 nm,相关文献中的实验数据与理论推导结果相符合.     

Ultimate capacity analysis of cladding-pumped10/130 Tm:fiber laser

The ultimate capacity of a cladding-pumped 10/130 Tm:fiber is experimentally investigated with a 793 nm laser diode bidirectionally pumped amplifier. The laser system works stably at the output powers of 52 W,65 W, and 87 W. Eventually, the damage of the amplifier occurs when the output power reaches about 103.5 W with a total incident pump power of 176.8 W. Considering the incident seed power of 12.3 W,the amplifier conversion efficiency is estimated to be about 51.6% before it is damaged. With valuable exploration, we achieve the first air-cooling 60 W Tm:fiber laser at 1945.845 nm with a spectral linewidth of 0.4 nm.The laser power stability reaches 1.24% during a continuous test time of 65 h. The beam quality is measured as M_x~2=1.16 and M_y~2=1.14.     

High efficiency Tm fiber laser of seed amplification

We use all-fiber single-mode lasers as seed source, amplifiers and pump laser coupling amplifier has been experimentally investigated, respectively. The maximum output power is 10.4 W, with the slope efficiency of 54.4% when the seed laser power is 1 W, and the slope efficiency is 48.7% when the seed laser power is 2 W. The slope efficiency of this scheme is higher than that of the all-fiber amplifier. This can be explained by the loss of pump power at the splice dots. The wavelength of the fiber amplifier is 1947.6 nm, the same as the seed laser's, with a linewidth of 2 nm. We estimate the beam quality to be M² = 2.39, clearly indicating nearly diffraction-limited beam propagation.     

Experimental study of SBS suppression and coherence property of 1064 nm high power multi-tone fiber amplifier

Seeding high power fiber amplifier employing multi-tone fiber laser is an effective approach to suppress stimulated Brillouin scattering (SBS). In this paper, a two-stage 1064 nm high power fiber amplification system was set up. Single-, two- and three-tone fiber lasers were employed. SBS threshold powers and maximum output powers of the multi-tone cases are enhanced compared with the single-tone case. The multi-tone amplifiers also show comparable optical-to-optical efficiency to the single-tone amplifier. To demonstrate and validate coherence property of the two multi-tone fiber amplifiers, the output laser beams of the amplifiers were self-interfered in our self-made coherent beam combining system. The laser beams of the multi-tone cases showed good coherence property comparable to the single-tone case, which implied that the high power output laser light of the multi-tone fiber amplifiers could be used for coherent beam combining.