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。     

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。     

多波长级联拉曼光纤激光器的设计

基于稳态条件下描述光纤中受激拉曼散射效应的光功率耦合方程组,提出一种新的多波长级联拉曼光纤激光器的设计算法.结合遗传算法和打靶法的优点,采取对每一代种群中少数优良个体进行几次打靶,使得种群中目标函数最优化值附近的个体加速收敛.以500 m掺磷光纤为增益介质、光纤布拉格光栅构成谐振腔的三波长(1427 nm, 1455 nm, 1480 nm)级联拉曼光纤激光器为例,采用该算法计算了其输出特性.结果表明,总输出功率与抽运功率近似成线性关系,斜率效率约51%;由于谐振腔中三个输出波长相互之间的受激拉曼散射作用产生的能量转移,使得输出的长波长斯托克斯光斜率效率大于短波长斯托克斯光斜率效率.     

基于光纤光栅的高功率光纤激光器

分析了光纤光栅的选频原理以及光纤光栅基高功率光纤激光器的阈值特性和输出特性.采用紫外写入的光纤光栅做谐振腔,研制了全光纤结构的高功率光纤激光器,泵浦阈值为186 mW, 最大输出功率1.78 W,斜率效率59%,实验结果与理论分析基本吻合.     

高功率光纤激光受激拉曼散射效应研究新进展北大核心CSCD

由于具有高品质、高效率、高鲁棒性、结构紧凑等优点,光纤激光系统在近20年飞速发展,并得到广泛应用。然而发展至今,依旧存在着一些因素(如非线性效应、热效应、模式不稳定性等)限制着光纤激光系统功率的进一步提升。作为其中的一种主要限制因素,受激拉曼散射效应不仅降低了光纤激光器的输出效率,后向斯托克斯光还会提高系统的损毁风险。最近的研究结果表明,少模光纤中受激拉曼散射在引起模式不稳定性的同时,还会导致准静态的模式退化。因此,需要发展有效的拉曼抑制手段来突破现有瓶颈,促进高功率高光束质量光纤激光发展。在介绍高功率少模光纤激光中受激拉曼散射效应新表征的同时,从高功率光纤激光系统整体优化角度出发,总结整理了相关抑制技术研究新进展,并展望未来可能的研究方向。     

2μm泵浦中红外硫化玻璃光纤拉曼激光器的理论分析与优化

根据2μm掺铥光纤激光泵浦中红外硫化玻璃光纤拉曼激光器的模型,采用非线性耦合方程组对激光器的性能进行了研究与分析。同时,对激光器各参数包括光纤长度、输出耦合器反射率、光纤散射损耗对激光器性能的影响进行了分析并给出了优化结果。数值仿真结果表明,在一定条件下,2μm泵浦硫化玻璃光纤产生拉曼激光的斜率效率可以超过85%。另外,光纤长度和输出耦合器反射率不仅对输出激光功率的影响很大,而且是相互影响的,必须同时进行优化。结果也表明,输出激光的功率随光纤散射损耗增加急剧线性下降。以上的结果可以用于硫化玻璃光纤级联拉曼激光器的实验指导和优化设计。     

驱动激光束间相干性以及对背向散射影响的研究

早期的研究表明, 束匀滑技术能够有效地抑制高功率激光与等离子体相互作用中产生的各种参量不稳定性, 大大减少受激布里渊散射和受激拉曼散射. 但在NIF最近的实验研究中发现, 受激布里渊散射和受激拉曼散射份额远远高于预期, 原因可能与驱动激光束间的相干性有关. 本文利用"神光II"装置两路倍频纳秒激光辐照金平面靶, 研究了小口径取样情况下两者背向散射的能量和光谱在不同驱动激光相干条件下的变化情况. 初步结果表明, 激光束间存在着较强的相干性, 并且随着束间相干程度的增加, 背向散射也逐渐增强.     

1.5μm光纤乙烷气体拉曼激光放大器

报道了基于空芯光纤的1.5μm光纤气体拉曼激光放大器。实验以一个1.5μm波段的可调谐分布式反馈激光器为种子源,输出的连续波种子激光与1064nm微芯片激光器的输出脉冲抽运激光通过双色镜一起耦合进充乙烷气体的空芯光纤中,通过乙烷分子的受激拉曼散射实现了高效率的1553nm拉曼激光输出。种子光的注入极大地降低了受激拉曼散射阈值,从而将拉曼光-光转换效率提高到47.5%。该研究为实现高效率的光纤气体拉曼激光输出提供了一条有效的技术途径。     

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。     

啁啾倾斜Bragg光纤光栅制作及Raman滤除研究

受激拉曼散射(SRS)是制约光纤激光器功率进一步提升的重要因素之一。提出利用啁啾倾斜Bragg光纤光栅(CTFBG)抑制SRS,针对1018nm光纤激光SRS信号设计并制作了1066nm啁啾倾斜光纤光栅,搭建实验系统,对拉曼信号滤除效果进行了验证。结果表明,设计的CTFBG对1级SRS信号的抑制接近20dB,取得了很好的效果。研究结果对利用CTFBG抑制大功率光纤激光振荡器和放大器中的SRS,进一步提高光纤激光的效率和输出功率具有一定意义。     

基于飞秒激光制备的啁啾倾斜布拉格光纤光栅

啁啾倾斜布拉格光纤光栅（CTFBG）在高功率光纤激光器的受激拉曼散射（SRS）抑制中有重要的应用。利用飞秒激光在纤芯/包层直径为20/400μm的大模场面积双包层光纤（LMA-DCF）中刻写出不同角度的CTFBG，其最大滤除深度约为15 dB，最大滤除宽度约为8.9 nm。飞秒激光刻写CTFBG可以显著缩短制备周期，对推动CTFBG的研制与发展具有重要意义。     

基于随机光纤光栅的窄线宽随机光纤激光器

为实现低起振阈值、高斜率效率的短腔窄线宽随机激光输出,提出一种基于随机分布光栅阵列的窄线宽随机光纤激光器。基于随机分布光栅阵列的随机光栅可有效提升随机光纤激光器的起振阈值与泵浦功率。在满足光局域化的前提下,利用随机光纤光栅超窄反射峰搭建超窄线宽随机光纤激光器,该激光器实现了1.33 kHz的窄线宽随机激光输出,起振阈值为24.5 mW,斜率效率约为10%,且激光输出功率与中心波长处于稳定状态。与其他激光器相比,所提激光器具有更低的起振阈值、更高的斜率效率、更短的腔长及相对简单的结构,有望在光通信、高功率窄线宽光纤激光器、光纤传感等领域得到进一步应用。     

基于目标反射回光对高功率光纤激光器影响的理论模型和数值研究

在高功率光纤激光系统中,常会出现激光照射到目标处产生的回光被重新耦合到激光器内部并得到放大,从而损伤激光系统的现象.对于高功率光谱合成光纤激光系统等缺乏有效回光防护的高功率激光系统,该情况尤为严重.为了解决上述问题,有必要综合整个系统链路中的多种物理效应,评估和分析反射回光对系统运转状态的影响,在设计光纤激光器时优化光路布局和系统结构,以尽量避免不必要的损失.本文基于大气传输理论、光纤速率方程和介质热传导方程模型,分析了反向回光对高功率光纤激光器的影响.研究发现,在大气条件一定的情况下,回光功率与传输距离、光轴偏移角度、光束发散角和光束中心位置偏移量等因素有关,并且会影响光纤激光器输出功率、光束质量因子、热效应和受激拉曼散射光谱信噪比.研究结果对于优化高能光纤激光系统的外光路布局和激光器内部器件系统参数设计具有一定的指导意义.     

罗丹明B荧光增强苯受激拉曼散射研究

将液芯光纤技术与荧光增强受激拉曼散射技术相结合,能够大大增强受激拉曼散射光谱强度,降低受激拉曼散射阈值。通过对罗丹明B苯溶液在液芯光纤中的受激拉曼散射进行研究,结果表明:荧光染料Rhodamine B可以降低苯溶液的各阶受激拉曼散射阈值近一个数量级;在一定浓度范围内(10-6mol/L~10-8mol/L)各阶Stokes阈值随浓度降低而降低,并在理论上给出了解释。并且理论推导了在荧光种子作用下的四阶耦合波方程。液芯光纤中的受激拉曼光谱技术在对实现宽带受激辐射激光器、种子激光,以及生物大分子结构研究、生物分子的非生物过程研究等领域等有光明应用前景。     

波长可调谐取样光纤光栅激光器的输出特性研究

建立了具有两个取样周期略有不同的取样光纤光栅反射镜的Vernier波长调谐机制的光纤分布布拉格反射式激光器的数值仿真模型,对激光器的输出特性进行了分析. 研究了激光器输出特性随着激光器前后光栅反射镜波长以及前后光栅反射镜反射率的变化关系. 提出了对两取样光栅反射率的优化配置方案,可以使输出激光的边模抑制比有所提高;同时对波长调节方式也进行了探讨;进行了实验研究. 关键词： 取样光纤光栅 光纤激光器 波长可调谐激光器     

超强激光在均匀等离子体中的背向拉曼散射放大机制

使用等离子体背向受激拉曼散射对激光进行放大时,等离子体的密度、温度和长度都会对激光的放大效果产生影响.为了探究等离子体密度对结果的影响,本文使用一维粒子模拟程序模拟了波长为800 nm的泵浦激光入射到均匀等离子体中,等离子体密度和泵浦光光强对散射光光谱的影响.模拟结果表明,等离子体密度降低会导致散射光的波长变短,而泵浦光的光强在一定范围内降低会增加散射光中背向散射光的比例.通过分析散射光的光强和等离子体的密度,发现前向拉曼散射是等离子体密度变化的原因.模拟结果对等离子体背向受激拉曼散射放大的实验研究具有重要的指导意义.     

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.     

一维动理学数值模拟激光与等离子体的相互作用

利用一维(1D3V)、显式、全电磁、相对论粒子模拟代码研究动理学范畴内激光与等离子体相互作用中的受激拉曼散射,给出了粒子代码的控制方程及其数值离散的详细方案,研究表明:动理学效应在受激拉曼散射不稳定性中十分重要;时问平均的反射率在阈值强度处跃升,在更高的激光强度处达到饱和;受激拉曼背向散射周期性地在次皮秒内爆发,离子效应延迟背向拉曼散射的发生;电子俘获导致了背向拉曼散射出现爆发;Langmuir波的非线性频移使得背向散射达到饱和。     

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。     

用于光纤拉曼放大器抽运源的单级光纤拉曼激光器

抽运光源是光纤拉曼放大器应用于密集波分复用系统的关键技术,设计了一种紧凑型的808nm激光二极管抽运的基于钒酸钇（Nd^3＋：YVO4）晶体1342nm固体激光器模块,提出利用上述1342nm固体激光器抽运基于光纤光栅的单级全光纤型拉曼谐振器获得1．4μm激光输出的光纤拉曼激光器,分析了固体激光器的阈值特性、性能优化方法和单级光纤拉曼谐振器的设计方法。上述1342nm固体激光器模块在抽运功率2W时获得了最大655mW的激光输出功率和42．6％的斜率效率,单级拉曼谐振器的1342nm到1．4μm光功率转换斜率效率达75％,在1425nm、1438nm、1455nm和1490nm处的输出功率达到300mW以上。最后给出基于1．4μm光纤拉曼激光器抽运的宽带平坦放大的光纤拉曼放大器的结构参量和性能测试结果。