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.     

LD泵浦光纤激光放大器实现13 kW高光束质量输出

光纤耦合半导体激光器（LD）泵浦的光纤激光放大器具有体积小、功质比高、稳定性好等优点,在工业加工和军事国防等诸多领域都有着广泛且重要的应用。然而,受限于器件制作工艺水平及光纤中的受激拉曼效应和模式不稳定效应,LD泵浦的光纤激光放大器难以同时实现高功率及高亮度激光输出。为实现更高功率、更高亮度的光纤激光输出,需要结合现有的器件工艺水平并同时实现对放大器中的受激拉曼散射效应和模式不稳定效应的有效抑制。报道了基于单位自研大模场增益光纤成功实现13 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,放大级采用单后向981 nm泵浦自研大模场增益光纤,在总泵浦功率为15 kW时,输出功率达到12.94 kW,光束质量M2因子约为2.85。通过进一步优化器件性能及光纤模式控制,有望实现更高功率、更高亮度的光纤激光输出。     

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。     

改善输出光束质量的环形凹面镜激光谐振腔的研究

武汉光电国家实验室工业激光器研究团队一直致力于高功率高光束质量激光器的研究,在新型谐振腔的研究中,获得授权发明专利3项,申请发明专利2项。该团队提出了一种新型激光谐振腔,即环形凹面镜激光谐振腔,该谐振腔由一个环形凹面反射镜和一个平面输出镜组成。理论模拟表明,菲涅尔系数为8．05的环形凹面镜激光谐振腔的输出光束M2因子接近于菲涅尔系数为2．01的平凹稳定腔的输出光束肝因子,环形凹面镜激光谐振腔的模体积为平凹稳定腔模体积的4倍。利用该谐振腔在高功率横流CO。激光器进行了试验研究,输出光束为等相位面的环形光斑,即近场为环形分布,远场（聚焦处）为中央亮斑分布。相同光阑尺寸的平凹稳定腔和环形凹面腔对比研究表明,在激光功率没有明显降低的情况下,输出光束的肝因子由平凹稳定腔的7．5提高了1．9。环形分布光束可以降低谐振腔镜片和外光路镜片的热畸变,对于高功率激光器的工业应用非常有意义。这种谐振腔结构简单,进一步解决其失调稳定性问题,将有助于该类谐振腔在多种工业激光器中获得应用。     

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。     

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.     

用于发散激光光束整形的自由曲面透镜设计EI北大核心CSCD

提出了一种激光光束整形自由曲面透镜的设计方法,这种方法可以对有一定发散角的激光光束进行整形。设计分为两个过程:1)设计初始结构,以准直激光光束作为输入光束,采用能量网格划分法,设计自由曲面整形透镜,将设计好的透镜作为下一步设计的初始结构;2)逆向反馈优化法,以带有一定发散角的光束作为输入光束,用上一步获得的透镜作为初始结构,采用逆向反馈优化的方法作进一步优化设计。应用这种方法,以束腰为10mm,发散半角为2.5°的发散激光光束为例,将其整形为40mm×40mm的方形光束,辐射照度均匀度达到了90.4%。最后,对设计的透镜进行了加工误差分析和安装误差分析。分析结果表明:透镜表面面形误差在±5μm范围内对目标平面辐射照度的均匀度几乎没有影响;透镜安装时,纵向位移误差dz对目标平面辐射照度的均匀度影响较小,横向误差dx、倾斜角误差dφ对辐射照度均匀度影响较大。     

全光纤激光器实现kW级功率输出

搭建了一台全光纤结构的光纤激光器。采用双端泵浦结构,共有36个泵浦输入端。在使用其中的24个泵浦输入端,泵浦功率为1 477 W时,获得了1 008 W高功率输出,光光转换效率为68%。输出激光的中心波长为1 082 nm,半波全宽为3 nm。目前激光器输出功率受限于泵浦功率,增加泵浦源的数目有望进一步提高输出功率。     

全光纤激光器实现kW级功率输出

 搭建了一台全光纤结构的光纤激光器。采用双端泵浦结构,共有36个泵浦输入端。在使用其中的24个泵浦输入端,泵浦功率为1 477 W时,获得了1 008 W高功率输出,光光转换效率为68%。输出激光的中心波长为1 082 nm,半波全宽为3 nm。目前激光器输出功率受限于泵浦功率,增加泵浦源的数目有望进一步提高输出功率。     

万瓦级光纤激光焊接过程中小孔内外等离子体研究

为了进一步深入了解超高功率光纤激光深熔焊接过程中等离子体特征,试验拍摄了深熔小孔内外等离子体形态,并采用光谱仪检测分析了光纤激光致等离子体光谱信号.利用检测得到的等离子体光谱信号,计算研究了等离子体的电子温度、电子密度、电离度以及等离子体压力特征,并分析了在小孔内不同深度处及孔外等离子体的变化规律.结果表明,孔内等离子体呈现不均匀分布特征,孔外金属蒸气远多于等离子体.等离子体光谱分析显示,光纤激光致等离子体辐射出的谱线较少,即电离程度较低.进一步的计算结果同样证实了光纤激光致等离子体处于弱电离状态,但等离子体电子密度仍然处于较高水平,且等离子体瞬态压力可达到数百个大气压.     

10-W cladding-pumped fiber laser with single transverse mode output

A Yb-doped double-clad fiber laser is demonstrated with a measured power output of 10.6 W and a fundamental spatial mode. The optical-to-optical conversion efficiency is 44% and the slope efficiency is 86% closed to quantum efficiency of optical conversion. In our laser system, a D-shape (340 μm/400 μm) inner cladding Yb-doped fiber is used as the gain material within the Fabry-Perot cavity. Multimode diode pump radiation is injected into the cladding through an end facet of the composite fiber.     

Diffractive coherent combining of a 2.5 kW fiber laser array into a 1.9 kW Gaussian beam

Five 500 W fiber amplifiers were coherently combined using a diffractive optical element combiner, generating a 1.93 kW beam whose M(2)=1.1 beam quality exceeded that of the inputs. Combining efficiency near 90% at low powers degraded to 79% at full power owing to thermal expansion of the fiber tip array.     

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。     

光纤激光共孔径光谱合成实现5kW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5kW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5.07kW,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。     

高功率光纤端帽实现6 kW激光输出

高功率光纤端帽是kW级光纤激光器必不可少的器件,而实现光纤端帽的低损耗高强度熔接是其关键技术。由于光纤和大尺寸光纤端帽在直径上的巨大差异,二者的熔接不能通过传统熔接机实现。设计并搭建了光纤端帽熔接系统,掌握了多种尺寸的光纤端帽的熔接工艺,成功用于光纤激光器及光纤合束器的高功率输出。实验上利用单模光端帽实现了3.01 kW的激光输出,在未进行主动制冷的情况下温升为7 ℃/kW。利用多模光纤端帽实现了6.08 kW的激光输出,在未进行主动制冷的情况下温升为6 ℃/kW。     

1.2 kW便携式光纤激光器

高功率光纤激光器通常采用如水冷散热方式进行控温,难以满足轻量化等的需求。而利用相变储能材料的特性,采用多相变控温技术,可大幅减小高功率光纤激光器系统的体积、重量。对光纤激光器的温控技术进行了分析,采用多相变温控技术,实现了波长1.08 μm、最大功率1.26 kW的全光纤激光输出,光-光效率75.4%,光束质量因子M_x2=1.21,M_y2=1.23,有效减小了激光器的体积和质量,为高功率光纤激光器的热管理提供了新方法。