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。     

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。     

用于10 kW级高光束质量激光输出的国产部分掺杂光纤北大核心CSCD

当前光纤激光功率提升受限于模式不稳定效应及非线性效应,为了克服上述功率提升限制因素,自主设计并研制了大模场部分掺杂光纤。最终,采用自研部分掺杂光纤及后向级联泵浦方案,成功实现了10.1 kW的光纤激光输出,对应的光束质量因子(M2)为2.16。     

国产光纤实现同带抽运3000W激光输出

同带抽运是目前实现高功率光纤激光器的有效手段.本文基于同带抽运方式,以国产25/250μm掺镱双包层光纤为增益光纤,构建了全光纤化的主控振荡器功率放大器.实验中采用的国产光纤是中国电子科技集团公司第四十六研究所采用化学气相沉积结合气相-液相复合掺杂工艺制备的,其Yb~(3+)离子的分布更均匀,吸收截面更大,吸收系数更高.实验中,在种子光功率为67.8 W、抽运总功率为3511 W的条件下,实现了3079 W的激光输出,斜效率为85.9%,光束质量M~2约为2.14,3dB带宽为1.4nm,这是目前基于国产光纤同带抽运方式实现的最高功率.理论和实验结果表明国产光纤制备技术不断成熟,已经具备承受高功率输出的能力.继续提高抽运功率,优化增益光纤长度,改良散热方式,国产光纤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.     

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.     

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。     

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。     

光谱线宽与中心波长可同时调谐的高功率光纤激光实现3 kW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。

     

High output power Erbium-Ytterbium doped cladding pumped fiber amplifier

The performance of a high output power Erbium-Ytterbium doped fiber amplifier (EYDFA) pumped by a 927 nm laser diode are proposed and experimentally investigated. The EYDFA provides a flat gain and output power higher than 23 dBm in the wavelength region from 1545 to 1566 nm using a double-pass configuration. A broadband fiber Bragg grating is used in the double-pass EYDFA to allow a double-propagation of the test signal in the gain medium and thus improves the gain and output power characteristics of the amplifier. The maximum output power of 390 mW is obtained at the maximum 927 nm pump power of 4.1 W which translates to a power conversion efficiency of about 10%.     

High-power tandem pumped fiber amplifier with an output power of 2.9 kW

We report on a high power fiber amplifier tandem pumped by an industrial style thin-disk laser. An output power of 1 kW and a very good slope efficiency of 73% have been obtained for a state-of-the-art photonic crystal fiber originally designed for short-pulse amplification. We also compare this result to an experiment, where a power of 2.9 kW could be obtained from a step-index large-mode-area fiber with the same slope efficiency.     

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。     

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。     

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。     

大芯径空气包层微结构光纤实现kW级激光传输

kW级高功率激光柔性传输是激光清洗、激光焊接、激光刻蚀等高功率激光加工领域中必备的环节,而实现高功率激光低损耗传输的光纤是其关键器件。目前高功率激光传输光纤采用大芯径传能光纤,仍然存在着弯曲损耗大、柔性差等问题,并且使用过程中要经常维护。华南师范大学特种光纤研究中心提出一种大芯径空气包层微结构光纤,利用包层的空气孔可以极大降低激光泄露的风险,降低光纤制备过程中对耐高温涂敷层的严苛要求,实验结果证实该光纤在室温无制冷条件下可实现kW级激光传输,从而为10 kW级高功率激光柔性传输奠定基础。     

Tapered fiber amplifier with high gain and output power

We present a high-power ytterbium fiber amplifier based on active tapered double-clad fiber (T-DCF) and capable of high single-pass gain. The T-DCF power amplifier seeded with a 320 mW narrow-band signal generates up to 110 W of average output power corresponding to more than 25 dB gain. The amplifier exhibits near-diffraction-limited beam quality (M ² = 1.06) at the highest output power, which was limited by the available pump power. With a broadband seed source, the amplifier produced a gain of nearly 40 dB obtained for low-signal limit of the seed. The high output power combined with high gain is achieved owing to amplified spontaneous emission (ASE) filtering and increased stimulated Brillouin scattering (SBS) threshold inherent to the axially non-uniform geometry. The amplifier operates efficiently with a wide range of input seed powers thus providing the basis for one-stage tapered amplifier which combines the functions of preamplifier and power amplifier and can be a competitive alternative to multi-stage design.     

LD直接泵浦全光纤激光器输出功率突破20 kW

高功率光纤激光器具有高效率、小体积、低成本、抗回光能力强等突出优点,在工业加工等应用领域中具有明显的竞争优势。近期,国防科技大学基于光纤耦合半导体激光器(LD)直接泵浦的主振荡功率放大器(MOPA)实现了单纤20.27 kW的功率输出。放大器采用纯后向泵浦方案,中心波长1080 nm,光光效率达到84.8%,拉曼散射抑制比大于50 dB。通过优化光纤和器件的设计,可进一步提升激光器的功率和光束质量。