大直径光纤端帽的制作与熔接

为了避免高功率光纤激光器输出的激光对双包层光纤端面造成损伤,设计并制作了光纤端帽。使用新型CO2激光器光纤熔接机完成了双包层光纤与端帽的熔接,研究了双包层光纤与端帽熔接的相关工艺与方法。利用高功率连续激光对端帽的性能进行了测试,实验结果表明,熔接有光纤端帽的双包层光纤可以承受507 W连续激光的输出并且没有发生损伤。熔接有端帽的光纤激光器的斜率效率为64.05%,光束质量与未熔接有端帽时相同。     

一体化光纤滤除器和端帽实现20 kW激光输出北大核心CSCD

在高功率光纤激光系统中,包层光滤除器能将光纤中包层光滤除以保证输出激光光束质量,光纤端帽通过对输出激光扩束降低输出光纤端面的光功率密度,从而保护光纤端面不受损坏,两者都是高功率光纤激光系统稳定运行的重要核心器件。将包层光滤除器和光纤端帽进行一体化设计,制备了一体化高功率光纤包层光滤除器和光纤端帽并分别应用于20 kW合束系统和单纤系统中,输出功率达到20 kW时,端帽的最高温度约为40℃,温升速率约为0.8℃/kW。     

双包层光纤激光器最大输出功率的估算

通过热传导方程和边界条件得到高功率双包层光纤激光器温度分布的简化解析解,利用ANSYS模拟验证了简化的合理性,并以双包层的掺镱光纤激光器为例,把外包层的临界温度设定为80 ℃,计算了光纤激光器在自然对流、风扇制冷和水制冷条件下最大输出功率。计算结果表明：自然对流的情况下,对流传热系数为10 W·m-2·Ｋ-1时,光纤激光器的最大输出功率为105 W;风扇制冷的情况下,对流传热系数为80 Ｗ·m-2·Ｋ-1时,光纤激光器的最大输出功率820 W;要达到kW以上功率输出,必须对光纤进行主动水冷。     

双包层光纤激光器最大输出功率的估算

 通过热传导方程和边界条件得到高功率双包层光纤激光器温度分布的简化解析解,利用ANSYS模拟验证了简化的合理性,并以双包层的掺镱光纤激光器为例,把外包层的临界温度设定为80 ℃,计算了光纤激光器在自然对流、风扇制冷和水制冷条件下最大输出功率。计算结果表明：自然对流的情况下,对流传热系数为10 W·m^-2·Ｋ^-1时,光纤激光器的最大输出功率为105 W;风扇制冷的情况下,对流传热系数为80 Ｗ·m^-2·Ｋ^-1时,光纤激光器的最大输出功率820 W;要达到kW以上功率输出,必须对光纤进行主动水冷。     

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。     

国产光纤实现直接抽运全光纤化3000 W级激光输出

基于国产光纤构建了直接抽运全光纤化主控振荡器功率放大器结构光纤激光器, 放大级分别采用武汉烽火锐光科技有限公司和中国电子科技集团公司第四十六研究所提供的国产20/400 μm掺镱双包层光纤作为增益光纤, 通过全国产化放大级实现了3050和3092 W的1080 nm激光输出. 放大级提取效率分别为67.3%和68.2%, 光-光效率分别为63.0%和63.9%. 据可查询资料, 这是公开报道的直接抽运全光纤激光输出的最高水平, 同时由于采用了国产光纤作为放大级增益光纤, 表明国产光纤具备了3 kW级光纤激光器输出能力. 通过国产光纤横截端面以及光纤熔接显微镜图像实验分析知, 光纤制造工艺的不足是导致国产光纤激光器效率低的主要原因. 继续改进光纤工艺, 提升抽运功率, 优化光纤长度, 有望实现更高功率的全国产化光纤激光器输出.     

连续波1.7 μm全光纤气体拉曼激光光源

报道了第一个连续波全光纤气体拉曼激光光源.采用实芯单模光纤与带隙型空芯光纤熔接的方法,制备了长度为50 m、充高压氢气的全光纤结构气体腔,以一个高功率连续波1540 nm光纤放大器为泵浦源,利用氢气分子的纯转动受激拉曼散射有效实现了 1693 nm斯托克斯连续激光输出.进一步,通过在气体腔输出端熔接一个中心波长为154...     

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。     

调Q脉冲保偏光纤激光器的研究

以808nm半导体激光器为抽运源,掺钕双包层保偏光纤为增益介质,对调Q脉冲保偏光纤激光器进行了理论分析和实验研究.利用TDS5104型示波器探测输出脉冲激光的波形,并用光谱分析仪得到输出脉冲激光的光谱图.利用F-P腔型,在1060nm处获得平均功率为2.55W的脉冲激光输出,重复频率为1kHz时,输出单脉冲能量为2.3mJ,峰值功率为4.7kW.改变腔型,把二色镜倾斜放置兼作输出镜,最终获得了平均功率为3.5W的偏振脉冲激光输出,重复频率为1kHz时,输出单脉冲能量为3.3mJ,脉冲宽度为184ns,其峰 关键词： 激光技术 光纤激光器 掺钕保偏光纤 调Q     

国产部分掺杂光纤实现3 kW全光纤激光振荡输出

模式不稳定效应和非线性效应成为光纤激光器输出功率和光束质量进一步提升的主要限制因素.采用改进的化学气相沉积工艺结合溶液掺杂技术制备33/400μm部分掺杂掺镱双包层光纤,镱离子掺杂直径比为70%,折射率剖面近似阶跃型.利用主振荡功率放大系统验证部分掺杂光纤光束质量优化作用,种子光束质量为1.53,随着泵浦功率增长,输出激光光束质量逐渐优化至1.43.搭建915 nm反向泵浦全光纤结构激光振荡器.实验中,在泵浦光功率约为4.99 kW时,获得3.14 kW中心波长为1081 nm的激光输出, 3 dB带宽为3.2 nm,且未出现模式不稳定和受激拉曼散射现象,这是目前基于国产部分掺杂光纤实现的最高输出功率.以上结果表明,部分掺杂光纤在实现高功率且高光束质量光纤激光输出中具有潜力.     

高功率二极管激光器相变冷却技术

根据高功率二极管激光器的散热需求,设计了一种储能式相变冷却实验系统,并开展了喷雾相变冷却器和微通道相变冷却器的设计。采用多孔微结构的换热表面,用氨做制冷剂,实现了喷雾相变冷却器表面温度37 ℃时,散热功率密度达到了511 W/cm2。采用节流汽化原理,分别设计了背冷式相变微通道冷却器和薄片型的模块式相变微通道冷却器,背冷式相变微通道冷却器采用氨做制冷剂, 散热功率密度达到了550 W/cm2,采用R124做制冷剂,散热功率密度约270 W/cm2。采用R124做制冷剂,实现了脉冲激光功率3 kW和连续激光功率100 W的相变冷却二极管激光器模块封装。     

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.     

光纤激光共孔径光谱合成实现5 kW高效优质输出

采用多层介质膜衍射光栅实现多路高功率光纤激光共孔径光谱合成有望成为光纤激光同时实现高功率、高效率和高光束质量的最具发展潜力的技术途径。搭建了一套基于双光栅色散补偿设计的5 kW共孔径光谱合成系统。采用国产多层介质膜衍射光栅实现了5路kW级窄谱子束激光的高效优质共孔径光谱合成,最大输出功率达5.07 kW,光束质量因子(M2)小于3,合成效率达到91.2%。初步研究表明：多层介质膜衍射光栅在较高功率水平、较宽光谱范围内均能保持较高衍射效率,是实现高功率光纤激光高效率光谱合成的重要器件;参与合成的子束自身的光束质量水平和线宽是影响合成输出光束质量的重要因素,光谱合成系统的输出功率主要受限于窄谱子束的输出功率和合成路数,增加窄谱子束的功率或合成路数均可进一步提升系统的输出功率。     

Athermal continuous-wave fiber amplifier

We present a new theoretical scheme for Yb³⁺-doped athermal (radiation-balanced) continuous-wave fiber amplifier. This approach allows amplification with optical pumping of the fiber amplifier without detrimental heating of the fiber. Athermal amplification is realized by laser cooling in which waste heat is disposed of in the form of spontaneous fluorescence by balancing the radiated and absorbed power. The radiation-balanced fiber amplification can be realized using a specially designed distributed pumping scheme.     

高功率光纤激光器二级抽运技术的理论分析

从理论上分析了高功率光纤激光器直接抽运和二级抽运的斜率效率和热管理问题. 计算结果表明:波长为975 nm的激光直接抽运产生波长为1070 nm的激光时,理论斜率效率为80%,但当抽运光功率为10 kW时,在强制水冷条件下纤芯极值温度也难以降到150 ℃以下;在二级抽运技术中,波长为1018 nm的激光抽运产生波长为1070 nm的激光时,若采用传统的包层抽运技术,其斜率效率不足20%,如果抽运功率填充因子由0.0025提高到0.1,则理论上斜率效率可由18.5%提高到80.9%,从而总斜率效率由15.5 关键词： 二级抽运 功率填充因子 斜率效率 热管理     

基于透射型体布拉格光栅的两通道2.5kW光谱组束输出

体光栅光谱组束是获得高功率激光输出的一种有效途径.在有限的可用带宽内,光谱通道间隔影响着组束光束数目以及最终的高功率组束输出.采用耦合波理论,建立了一个两通道高功率光谱组束模型.通过优化体光栅光谱通道间隔,可放宽对组束子束线宽和功率的限制,组束功率可大幅提升而光谱密度并无显著下降.基于此,实验上获得了2.5 kW组束输出,绝对效率超过85%,通道间隔5 nm,光谱密度为0.51kW/nm.组束功率1 kW时,组束输出能保持好的光束质量;组束功率1.5kW时光束质量恶化较明显,通过分析发现,组束光束质量的恶化主要受限于体光栅的色散及高功率下体光栅复杂的热畸变.     

单频纳秒脉冲全光纤激光器实现300 W平均功率输出

搭建了一台主振荡功率放大（MOPA）结构的单频脉冲全光纤激光器。通过对线宽为 20 kHz 的连续单频激光器进行强度调制,获得了重复频率 10 MHz、脉宽约 8 ns、平均功率约 0.5 mW 的单频脉冲种子激光。采用多级掺镱光纤放大器对脉冲种子激光进行级联放大,获得了平均功率 300.8 W 的高功率激光输出。目前,激光器输出功率仅受限于泵浦功率,有望通过增加泵浦功率进一步提高输出功率。