高功率全光纤结构主振荡功率放大器中模式不稳定现象的实验研究

模式不稳定指高功率光纤激光随着输出功率提升发生的模式突变,会导致光束质量下降,限制了衍射极限光束质量光纤激光输出功率的提升,本文研究了全光纤结构主振荡功率放大器中的模式不稳定现象,结果表明,全光纤结构主振荡功率放大器中的模式不稳定现象会导致放大器斜率效率下降;理论计算表明,对于20/400阶跃折射率大模场双包层掺镱光纤,注入种子功率在百瓦左右时,模式不稳定发生的阈值功率在1kW左右:热效应是模式不稳定现象发生的根源。     

长波段半导体激光泵浦光纤激光器实现2 kW功率输出

半导体激光（LD）泵浦的高功率光纤激光器具有效率高、体积小、重量轻、稳定性好等优点,在工业加工等诸多领域都有着广泛的应用。为了提高泵浦光吸收率,传统光纤激光器常用915 nm和976 nm波段的LD作为激光的泵浦源。在该类LD泵浦的光纤激光器中,由于量子亏损和泵浦吸收系数相对较高,光纤激光器的热致模式不稳定（TMI）阈值相对较低。为了提高量子效率和潜在的TMI阈值,提出采用大于1 010 nm波段的LD直接泵浦光纤激光器,产生高量子效率激光。搭建了振荡放大一体化的全光纤激光器,采用总泵浦功率为2.56 kW的1 010 nm波段LD泵浦,首次获得输出功率2.05 kW、光束质量M2约1.7的激光。后续将通过进一步增大泵浦功率、优化光纤特性以实现更高功率、更优光束质量的光纤激光输出。     

高功率光纤放大器中模式不稳定阈值功率的理论研究

模式不稳定指高功率光纤激光随着输出功率提升发生的模式突变,会导致光束质量下降。基于模式耦合模型,对量子噪声、强度噪声等引起的高功率光纤激光模式不稳定出现的阈值功率进行了详细分析和计算。研究结果表明,采用级联抽运方案和部分掺杂方式可以使模式不稳定性出现的阈值功率提高2~5倍。增加初始注入信号光功率、抑制注入信号激光的强度噪声和高阶模成分也可以提高阈值功率。研究结果为高功率光纤激光系统的设计提供一定参考。     

高功率连续光纤激光系统热效应及其抑制措施

热效应是影响高功率光纤激光系统安全运行的重要因素之一。探索光纤激光系统热效应产生的源头,积极开展热效应控制技术研究,采取合理措施抑制热集中现象,大幅提高光纤激光系统的模式不稳定阈值以避免模式劣化现象,对于进一步提升光纤激光系统安全稳定输出功率具有非常重要的现实意义。以广泛使用的端面集中泵浦技术为例,概述了高功率连续光纤激光系统的主要热效应来源,提出了针对不同热效应需要采取的解决方案与合理化建议。最后着重介绍了长距离分布式侧面泵浦技术和泵浦增益一体化复合功能激光光纤,展望了万瓦级超高功率光纤激光器的未来发展前景。     

少模光纤放大器中的准静态模式不稳定实验研究

模式不稳定发现于2010年,是影响高功率光纤激光器功率提升的重要限制因素.当前模式不稳定主要有两类,一类是动态模式不稳定,一类是准静态模式不稳定.本文研究了纤芯/内包层直径为25μm/400μm掺镱双包层光纤后向抽运放大器中的模式不稳定效应.通过对功率、光束质量和时域数据的分析,发现在该放大器中出现了准静态模式不稳定的现象,随着抽运功率的增加,放大器输出光束质量逐步退化,而时域上没有发现明显的动态模式不稳定特性.实验上对不同种子功率下放大器的输出特性进行研究,结果表明,通过提高种子激光功率可以较为有效地提高模式不稳定阈值,在种子功率为528 W时,当输出功率大于3000 W,输出激光效率没有明显下降.     

高平均功率光纤激光技术基础:模式

从具有不同模式特性的光纤激光研究现状出发,指出模式是光纤激光特性的核心参数之一。通过算例给出模式与光束质量之间的关系,引出模式分解技术是准确知晓模式组分和光束质量的关键,介绍常见的模式分解技术。针对模式不稳定效应这一限制光纤激光功率提升的新现象,归纳总结了不同因素对模式不稳定效应产生阈值的影响,梳理了提高阈值的物理原理和实现方法。从高阶模抑制、特定高阶模式和结构光场输出等三个方面介绍了光纤激光模式控制的最新进展。     

掺铒光纤激光放大的研究

本文研究了描述掺铒光纤激光放大的速率方程解,分析了光纤中几种场分布和铒离子横向分布时的解析解,并进行了数值计算.得到了任意信号强度(包括大信号)时的增益以及影响信号增益的主要参数,利用532nm激光泵浦掺铒光纤,得到信号的最大增益为29.5dB.     

中红外光纤激光技术研究进展与展望

中红外激光在通信、遥感、安检和光电对抗等许多领域中都有重要的应用价值,一直以来都是激光领域研究的热点。中红外激光的产生方法有很多,其中光纤中红外激光器具有结构紧凑、光束质量好和转换效率高等特点,故被认为最有希望实现便携、稳定、高效和高功率的中红外激光输出。随着软玻璃光纤制备工艺水平的提升,中红外光纤激光技术获得了快速发展,输出功率水平也得到了很大提升。然而,受限于稀土离子种类、软玻璃光纤制备工艺和软玻璃光纤化学稳定性,基于软玻璃光纤的中红外激光器在功率进一步提升和波长拓展方面存在技术瓶颈,近年出现的中红外光纤气体激光器为此提供了有效的解决方案。详细综述了中红外光纤激光技术的研究现状,包括基于气体填充空芯光纤的新型中红外光纤激光器,并简要展望了中红外光纤激光技术的发展趋势。     

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.     

高能激光六十年:回顾与展望

激光的本质是微观粒子的有序运动,而热是微观粒子的无序运动,高能激光产生过程中这一对矛盾贯穿始终,可以说高能激光的发展史,就是一部与废热的斗争史。回顾高能激光发展的六十年,剖析高能激光的科学内涵,我们大致将其划分为前后三十年的两个阶段,前一阶段着重解决能用的问题,后一阶段重在解决好用的问题。围绕产热、散热,我们剖析了激光功率、光束质量、效率三者之间的内在关联,简要回顾了各类高能激光器的发展历程,评价了各类高能激光的特色,展望了高能激光未来的发展路径。     

高峰值功率大模场全光纤脉冲放大器

报道了一种由纤芯直径分别为15 μm和25 μm的大模场光纤组成的全光纤脉冲放大器模块。当注入脉冲宽度为10 ns,重复频率为1 Hz,光谱宽度为0.3 nm,脉冲能量为80 nJ的激光脉冲时,经过两级放大输出的激光脉冲峰值功率为30 kW,单脉冲能量为300 μJ。此外,实验研究了该放大器模块输出的时间特性。研究发现：由于受激布里渊散射（SBS）效应,限制了单纵模光纤激光在光纤中的高能量放大,采用宽带激光脉冲可以有效地抑制SBS效应,提高光纤放大器的SBS阈值。     

自陡对光纤耦合器调制不稳定性的影响

当考虑自陡效应时,从光纤耦合器的耦合模方程出发,用偶奇超模对其进行了重写。讨论了当输入条件使奇偶超模的其中之一被单独激发时光纤耦合器中的自陡效应对调制不稳定性的影响。结果表明:在光纤耦合器中不论是正常色散区还是反常色散区,当输入功率一定时,随着自陡参数的增大,调制不稳定性增益谱较多地显示出了强度变弱和宽度变窄,最终导致光纤耦合器的超模发生畸变。     

高峰值功率大模场全光纤脉冲放大器

报道了一种由纤芯直径分别为15μm和25μm的大模场光纤组成的全光纤脉冲放大器模块.当注入脉冲宽度为10 ns,重复频率为1 Hz.光谱宽度为0.3 nm,脉冲能量为80 nJ的激光脉冲时,经过两级放大输出的激光脉冲峰值功率为30 kW,单脉冲能量为300μJ.此外,实验研究了该放大器模块输出的时间特性.研究发现:由于受激布里渊散射(SBS)效应,限制了单纵模光纤激光在光纤中的高能量放大,采用宽带激光脉冲可以有效地抑制SBS效应,提高光纤放大器的SBS阈值.     

高斯变迹布拉格光纤光栅中的调制不稳定性

利用激光脉冲在光纤光栅中传播时所遵守的相干耦合非线性薛定谔方程,研究了激光脉冲在高斯变迹布拉格光纤光栅中传输时，在反常色散区和正常色散区所产生的调制不稳定性.结果表明在反常色散区和正常色散区都能产生调制不稳定性；在反常色散区，当输入功率达到一定数值时，产生明显的有规律的增益谱；在正常色散区，在产生调制不稳定性功率区域，调制不稳定性存在并从给定值一直持续到无穷；并且，在反常色散区和在正常色散区，增益谱都受到高斯变迹函数的制约. 关键词： 高斯变迹 布拉格光栅 调制不稳定性 增益     

Control of gain and thermal carrier loss profiles for mode optimization in 980-nm broad-area vertical-cavity surface-emitting lasers

Optical gain and thermal carrier loss distributions regarding current diffusion and various electric contact areas are investigated to improve the near-field modes from the ring-shape to a Gaussian-like configuration for extra-broad-area and oxide-confined vertical-cavity surface-emitting lasers. In this work an equivalent circuit network model is used. The resistance of the continuously-graded distributed Bragg reflectors （DBRs）, the current diffusion and the temperature effect due to different electric-contact areas are calculated and analyzed at first, as these parameters affect one another and are the key factors in determining the gain and thermal carrier loss. Finally, the gain and thermal carrier loss distributions are calculated and discussed.     

国产纺锤形增益光纤主振荡功率放大器实现5 kW输出

设计了纤芯直径小—大—小变化的“纺锤形”增益光纤,利用该光纤可均衡模式不稳定和受激拉曼散射抑制的矛盾,提升光纤激光器的输出功率。基于自研的纺锤形增益光纤搭建了主振荡功率放大器（MOPA）,实现了5 kW的功率输出,放大器光光效率为66.6%,拉曼散射抑制比大于45 dB,M²因子约2.0。通过优化光纤的设计,可以提升激光器的光束质量和效率。

     

固体激光器与光纤激光器对光子晶体光纤棒耦合的分析与对比

耦合效率的高低与耦合后光斑的好坏直接影响着光子晶体光纤棒的放大效果,因此需要对种子光的耦合效果进行研究,选择合适的激光器作为种子源。本文对光子晶体光纤棒在固体激光器与光纤激光器两种情况下的耦合效率进行了理论分析;模拟计算了两种激光器情况下耦合效率的变化规律以及对准误差对耦合效率的影响;选择合适的透镜或透镜组,使用两种激光器对光子晶体光纤棒进行了耦合实验;对比两种激光器的耦合效果可知:固体激光器的耦合效率最高只能达到62.4%,而光纤激光器的耦合效率可以达到80%以上;在光纤激光器耦合情况下,对不同功率注入时耦合效率,以及耦合后光斑进行了实验分析。得到的实验结果对后续光纤棒的放大实验具有指导作用。