LDA侧面Zigzag泵浦多边形薄片激光放大器模拟与实验研究

介绍了一种激光二极管叠阵（LDA）侧面Zigzag泵浦多边形薄片激光放大器构型,采用三维光线追迹方法进行了详细的模拟仿真,优化设计了此放大器系统的泵浦耦合结构,主要研究了多边形增益介质的掺杂离子浓度与侧面切角对介质内部泵浦光分布的影响。在晶体厚度1.5 mm、端面口径16 mm的条件下,侧面切角在35°～65°,Nd3+掺杂浓度为0.20 at.%～0.30 at.%时,模拟仿真中Nd:YAG多边形薄片对泵浦光的吸收分布较均匀,泵浦光分布均匀性均优于0.1,同时在实验中得到了平顶的荧光分布和增益分布。介质内储能的均匀平顶分布有利于实现高功率高光束质量的激光输出,为侧面Zigzag泵浦多边形薄片激光器系统的设计与进一步实验提供了重要参考。     

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。     

双频激光泵浦光纤放大器中的原子相干效应

用密度矩阵的方法从理论上分析了不同频率的两个激光场混合泵浦的光纤放大器中，由光场诱导的原子相干效应。并由此引入相干修正因子，通过修正的速率方程讨论了两光场与原子的相干作用对放大器增益的影响。     

熔融侧面泵浦耦合器光纤夹角对耦合效率的影响

泵浦耦合器是高功率光纤激光器的关键无源光器件,其制作工艺是采用泵浦光纤和主光纤侧面熔融的方法,该方法可以保持主光纤中信号光的低插入损耗,但泵浦光纤和主光纤之间的夹角对耦合效率影响较大。为解决这一问题,根据熔融侧面泵浦耦合器的结构特点,建立了物理模型,推导出各光纤中光功率与夹角关系的方程组,进行了数值仿真和实验论证,结果是随着泵浦光纤和主光纤之间夹角的减小,耦合效率会逐渐增大,但存在临界值,NA值小的泵浦光纤耦合效率高且临界角大,NA为0.22的泵浦光纤,夹角小于9.7时耦合效率最大值为96.9%,NA为0.15的泵浦光纤,夹角小于11.5时耦合效率最大值为97.8%。     

单端泵浦光纤放大器获得4kW单模窄谱激光输出

窄谱光纤激光器在光束合成等领域有着广泛的应用,然而模式不稳定效应的出现严重限制着窄谱光纤激光器的功率提升。提出并验证了采用新型981 nm稳波长泵浦方案,能够应用于窄谱激光放大并提升模式不稳定效应阈值,通过采用单端后向泵浦结构,将单模窄谱光纤放大器功率提至4 kW以上。实验中采用白噪声相位调制展宽单频激光作为窄谱种子,主放大级分别采用稳波长976 nm和981 nm两种泵浦源单端后向泵浦。在采用976 nm泵浦源泵浦时,窄谱激光最高放大至3.4 kW,出现典型的模式不稳定效应特征,功率提升受到限制。在采用981 nm泵浦源泵浦时,窄谱激光最高放大至4.05 kW,且并未出现模式不稳定效应,输出光束质量M2因子为1.3,进一步功率提升仅受限于泵浦功率。通过优化激光器设计、结合双向泵浦结构,有望实现更高功率的窄谱光纤激光输出。     

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.     

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。     

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。     

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。     

5 kW泵浦增益一体化复合功能激光光纤

5 kW泵浦增益一体化复合功能激光光纤林傲祥, 湛 欢 , 黄志华, 王瑜英, 王小龙, 倪 力, 唐 选, 梁小宝, 彭 昆, 高 聪 , 王 祯 , 贾兆年, 向小雨, 尤阿妮, 林宏奂, 赵 磊, 王建军, 景 峰     

5 kW泵浦增益一体化复合功能激光光纤

5 kW泵浦增益一体化复合功能激光光纤 林傲祥, 湛 欢 , 黄志华, 王瑜英, 王小龙, 倪 力, 唐 选, 梁小宝, 彭 昆, 高 聪 , 王 祯 , 贾兆年, 向小雨, 尤阿妮, 林宏奂, 赵 磊, 王建军, 景 峰     

国产泵浦增益一体化复合功能激光光纤实现8.74 kW激光输出

正高功率光纤激光器一般采用信号光与MOPA放大级的"1+1"型串联结构,而第二级的MOPA放大结构通常存在两种结构方式:其一是短距离集中式端面泵浦方式,包括正向端泵和反向端泵,后者具有一定的技术优势,有利于实现窄线宽激光输出;其二是长距离分布式侧面泵浦方式,其工作原理是基于倏逝波耦合效应来实现数十米长度的长程侧面耦合,其典型代表是泵浦增益一体化复合功能激光光纤(又被称为"GT-wave光     

Multi-coupler side-pumped Yb-doped double-clad fiber laser

The side-coupler of angle polished method, using angle-polished multimode fiber and optical adhesive, is used to efficiently pump an Yb-doped double-clad fiber laser. The maximum coupling efficiency of 78.6% is achieved by the side-coupler for a multimode fiber with a circular core of 200 μm and a double-clad fiber with a 350/400 μm D-shaped inner cladding. While laser diodes (LDs) with three side-couplers are simultaneously used as pump sources, maximum output power of 1.38 W and slope efficiency of 48.9% are demonstrated in the fiber laser system.     

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。     

High-energy Q-switched fiber laser based on the side-pumped active fiber

A relatively simple fiber-laser system that is based on a dual fiber, is pumped by a single CW source with an output power of 12 W (976 nm), and provides an output pulse energy of up to 110 μJ at a wavelength of 1080 nm is demonstrated for the first time. The output-pulse repetition rate and duration can be varied in the ranges 45–140 kHz and 0.28–1.80 μs, respectively, with a variation in the pumping power. The maximum output power is 5 W. It is demonstrated that the generation instability observed at an output power of greater than 5 W gives rise to giant pulses that can induce the supercontinuum generation in the range 530–1750 nm in a relatively short microstructured fiber.     

单点侧向泵浦掺Yb3＋双包层光纤激光器理论研究

从速率方程出发,建立了单点侧向泵浦掺Yb3+双包层光纤激光器的理论模型并进行了数值分析,得到了泵浦光方向分别为正向、反向、双向时,光纤内泵浦光和激光功率的分布特性及输出功率与泵浦点位置的变化关系。结果表明,相对于泵浦光正向或反向传输,当泵浦光双向传输时,光纤中的激光功率分布和输出激光功率受泵浦点的位置影响较小,对于侧向泵浦的双包层光纤激光器是较好的选择。     

国产有源光纤成功实现6 kW激光输出

光纤激光是继气体激光、化学激光和固体激光之后的新一代激光技术,是近年来世界各国科学研究的热点领域。制约光纤激光功率提升的主要技术瓶颈是系统集成技术和光纤材料制备技术。目前,我国科研工作者成功掌握了千瓦级光纤激光系统集成技术并实现了产业化,但是所用的光纤激光材料与核心器件还严重依赖进口。相较于比较成熟的系统集成技术,我国光纤激光材料的科学研究和产业化进程相对滞后,尚无法提供成熟稳定的有源光纤产品。 2016年6月,中国工程物理研究院激光聚变研究中心的研究人员经过近三年科研攻关,成功研发了30/900规格（纤芯30 m/包层900 m）镱掺杂铝磷硅（Yb-APS）三元体系激光光纤并实现了6.03 kW最高功率输出,在5 kW功率水平下可长期稳定工作。光纤激光材料综合测试平台采用了传统的1+1型MOPA放大结构（即信号种子源与一级主放）：信号光种子源的功率为40 W,光束质量M2=1.1;第二级MOPA放大级使用的976 nm LD泵浦光总功率9.95 kW,经过CPS功率剥离器激光净化处理后,最终安全地实现了6.03 kW最大功率输出。如图1所示,最高输出功率时斜率效率为61.25%,源于1∶30的芯包比和20 m以上的光纤使用长度;激光输出光谱中心波长1080 nm,3 dB带宽为1.89 nm,受激拉曼抑制比＞15 dB;5 kW稳定工作时,光束质量M2=2.38,未发现光子暗化效应。中物院激光聚变研究中心所研制的镱掺杂铝磷硅三元体系有源光纤(30/900 Yb-APS fiber)成功实现了6.03 kW激光输出,是我国高功率光纤激光材料研究领域的重要进步,为制备低损耗、高掺杂、高吸收、高增益、无光子暗化效应的商业激光光纤产品奠定了坚实的技术基础。     

国产30/600μm掺镱光纤实现4.1kW激光输出

采用化学气相沉积结合气相/液相复合掺杂方式制备30/600 μm掺镱双包层光纤,石英纤芯中的掺杂组分为Yb₂O₃, Al₂O₃,P₂O₅。基于976 nm发光二极管反向抽运方式,构建全光纤化的主控振荡器功率放大器结构对增益光纤进行测试。实验中,种子源功率为189 W,当泵浦总功率为4747 W时,激光输出功率为4120 W,放大级光光效率为85%,3 dB带宽为1.6 nm。激光器连续工作1 h,激光功率稳定在4100 W,未发生明显的功率衰退现象。     

单点侧向泵浦掺Yb3＋双包层光纤激光器理论研究

 从速率方程出发，建立了单点侧向泵浦掺Yb³⁺双包层光纤激光器的理论模型并进行了数值分析，得到了泵浦光方向分别为正向、反向、双向时,光纤内泵浦光和激光功率的分布特性及输出功率与泵浦点位置的变化关系。结果表明，相对于泵浦光正向或反向传输，当泵浦光双向传输时，光纤中的激光功率分布和输出激光功率受泵浦点的位置影响较小，对于侧向泵浦的双包层光纤激光器是较好的选择。