kW级主振荡功率放大光纤激光器输出特性

分析了kW级光纤激光器实现单模激光输出的模式控制方式。采用主振荡功率放大方式,实现了工作波长1.08 m、最大输出功率1.05 kW的全光纤单模激光输出。对激光光谱和光束质量随激光功率的变化等输出特性进行了研究,结果表明:随着激光功率的增大中心波长和光束质量无变化,但谱宽逐渐展宽。分析了激光光谱展宽的原因,认为随着激光功率的增大,光栅纤芯的折射率变化增大,引起本振级的谱宽展宽,而本振级因谱宽展宽引入的噪声在放大级被放大,再加上放大级本身引入的自发辐射,共同造成放大级的谱宽展宽。对光束质量变差的原因进行了分析,认为光纤弯曲导致原先在纤芯中传输的激光部分被泄露到包层中,从而使光束质量变差。     

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.     

多芯光纤激光器增益场选模效应研究

对多芯光纤激光器的增益场选模效应进行了初步研究。利用矢量耦合模理论计算多芯光纤激光器支持的各类超模的模式特性,并对其增益系数进行计算,比较不同功率等级下各超模增益特性的异同。计算结果表明,在较低功率下。多芯光纤激光器各类超模增益系数大小基本一致,输出光束是由各超模组成的混合模式; 而当激光功率较高时,同相模的增益系数大小明显大于其它模式,在模式竞争中占据优势,激光器输出光束远场具备同相模的特征。最后对多芯光纤激光器增益场选模效应的适用范围进行了简单讨论。     

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。     

基于多模光纤的高斯光束平顶化整形技术

高功率平顶光束在激光加工领域具有广泛的应用。针对光束平顶化的问题,提出利用大芯径多模光纤对高斯光束整形的方法。采用RP Fiber Power建立高斯光束传输模型,仿真分析光纤内光束的传输及强度分布特性。研究结果表明,多模光纤对高斯光束具有整形作用。高斯光束经多模光纤传输后,传导模数量增加,能量由中心向径向移动,光束质量下降,能量分布趋于均匀化。光纤的芯径越大,传输长度越长,匀化效果越明显。采用D型纤芯结构,或凹面折射率分布光纤,均可快速匀化光束。     

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。     

高光束质量、高功率稳定性激光器的设计及实验研究

高光束质量、高功率稳定性激光器在激光加工、激光测量等领域具有广泛的用途.为了实现激光器腔内光斑聚焦同时减少色散和体积,人们常常将曲面反射镜用在激光谐振腔中,但光束倾斜入射到曲面反射镜往往会引起像散,从而导致光斑质量恶化,并降低激光器的性能.另一方面,在高功率激光器或超短脉冲激光器中,激光增益介质热透镜焦距的起伏,是导致激光输出功率波动的主要原因之一.针对激光器的像散和功率波动这两个问题,本文提出了一套简单高效的解决方案,在考虑像散补偿和热透镜效应的基础上,基于传播变换圆理论,首次提出一种可实现高光束质量、高功率稳定性激光器谐振腔的设计方法,并对采用该方法所设计出的超短脉冲激光器进行理论与实验研究.研究结果表明,利用该方法设计的激光谐振腔,两端臂像散能够完全被补偿,实验上实现了基模高斯光束输出;当激光晶体热透镜焦距改变时,该方法所设计出的激光谐振腔内各关键位置光斑半径的变化,显著地小于普通谐振腔,在相同外界条件下,其输出激光功率稳定性明显优于普通激光器.     

一种对双包层大芯径光纤光栅反射率和纤芯折射率调制估算的方法

报道了一种简单而又实用对双包层大芯径光纤光栅反射率和纤芯折射率调制的估算方法．通过监测和记录光栅刻写过程中光纤激光器输出功率随时间的变化,将实验数据和掺铥光纤激光器的速率方程理论相结合,对刻写光栅反射率和纤芯折射率变化进行估算．光纤光栅的最大反射率大约为96．4％,纤芯折射率调制达到1．2×10^-3．利用显微镜对光栅进行观测,纤芯的折射率调制变化均匀,且周期与模板周期一致．将光纤光栅应用在全光纤化掺铥光纤激光器中,在抽运功率为51．6W时,获得15．5w的1950．6nm激光输出,斜率效率为37．9％,并在输出功率为15w时,利用刀口法测得光束质量M2≈1．4．     

100 W级全光纤化线偏振单频光纤放大器

报道了一种基于主振荡功率放大结构的全光纤化1064 mm线偏振单频光纤放大器。种子源是一个线宽约为3 kHz的单频光纤激光器。输出功率为50 mW的种子激光经两级掺Yb保偏双包层光纤(光纤纤芯直径分别为10 μm和20 μm)和一级手性耦合纤芯增益光纤放大后,最终获得了输出功率138 W、光束质量M2≤1.2、偏振消光比优于18 dB的高功率单频光纤激光输出。在脉冲调制模式下,获得了峰值功率465 W、脉宽宽度约为500 μs的线偏振单频光纤激光输出。     

100W全光纤化高重频窄脉宽光纤激光器

报道了一种基于主振荡功率放大结构工作的全光纤化高重复频率窄脉冲宽度光纤激光器.种子源是一个直接电脉冲调制的1 063 nm光纤耦合输出半导体激光器.为了抑制放大器中产生的放大自发辐射光,将种子激光的脉冲波形调制为二阶超高斯型.峰值功率为950 mW的半导体激光器经过2级大模场掺镱双包层光纤放大器(纤芯分别为10μm和30μm)功率放大后,最终获得了平均功率为101 W、重复频率为200 kHz、脉冲宽度为14.77 ns、峰值功率为34.2 kW、3 dB光谱宽度为0.261 nm、光束质量M~2为1.17的脉冲激光输出.与传统的纳秒级脉冲光纤激光器相比,该激光器峰值功率高、光束质量优、光谱宽度窄、结构简单,可广泛应用于激光雷达、遥感探测、倍频和光参量震荡等领域.     

Photonic crystal fiber for fundamental mode operation of multicore fiber lasers and amplifiers

A mode-selection method based on a single-mode photonic crystal fiber (PCF) in the multicore fiber (MCF) lasers is presented. The designed PCF has a central core region formed by a missing air-hole, and three air-hole rings. With an appropriate choice of the design parameters of the PCF, the power coupling between the fundamental mode (FM) of the PCF and the fundamental MCF mode can be much higher than those between the FM and the other supermodes. As a result, the fundamental MCF mode has the maximum power reflection coefficient on the right-hand side of the MCF laser cavity, and dominates the output laser power. Since the maximum power of the fundamental MCF mode will lead to the desired laser beam profile, higher the fraction of the fundamental MCF mode power contained in the total output power contributes to higher beam quality. The numerical simulations show that the effectiveness of the fundamental MCF mode-selection is higher in the MCF lasers with the PCF as a mode-selection component than in the MCF lasers based on the free-space Talbot cavity method. Additionally, for the MCF amplifiers, an approach is presented to decrease the sensitivity of the amplifier performance to the variation of Gaussian beam waist utilizing the coupling between the Gaussian beam and the FM of the PCF. The numerical results show that this method can effectively increase the design flexibility for a broad range of the Gaussian beam waist.     

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.     

200W级高亮度半导体激光器光纤耦合模块

光纤激光器系统需要高可靠性、高亮度、高功率光纤耦合输出二极管激光器模块作为泵浦源。基于mini-bar二极管激光器芯片,采用光束精密准直技术、自由空间合束技术来获得高亮度、高功率光纤耦合输出,针对光纤芯径为200μm、数值孔径为0.22的多模光纤,开展了线偏振二极管激光光纤耦合实验,实验结果表明:光纤稳定输出功率达280 W,对应亮度为5.87 MW/(cm2·sr),电-光效率为45.0%。采用偏振合束技术,光纤预期输出功率可达500 W,对应亮度超过10 MW/(cm2·sr)。该方法可应用于研制数百瓦级高亮度二极管激光光纤耦合输出激光器模块。     

基于内腔布儒斯特双轴锥棱镜的掺镱光纤激光器的径向偏振模振荡

实验采用一个内腔布儒斯特双轴锥棱镜,在掺镱多模双包层光纤激光器中实现了径向偏振光振荡,并在长2 m的增益光纤中获得了高达6.2 mW的功率输出.研究揭示了从光纤激光器振荡中获得径向偏振光的新途径.然而,该激光器输出的径向偏振光的光强分布并不很均匀,且偏振消光比较低,需要进一步改进.     

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。     

切向气流作用下玻璃纤维复合材料的激光辐照效应

实验研究了样品表面有切向空气气流、切向氮气气流和无气流时,976 nm连续激光对玻璃纤维增强E-51环氧树脂复合材料的辐照效应。结果表明:无气流时,喷出的热分解产物会对入射激光产生屏蔽作用;有气流时,激光对玻璃纤维的破坏方式是其升温熔化后再被切向气流带走;当激光功率密度较低时,切向空气气流以加强样品表面的对流冷却作用为主,不利于激光对玻璃纤维复合材料的破坏;当激光功率密度较高时,切向空气气流以降低屏蔽作用和提供氧气助燃为主,有利于激光对玻璃纤维复合材料的破坏。三种气流状态下,质量损失随功率密度呈现单调增加趋势,当入射激光功率密度在100~600 W/cm2范围内,随着功率密度的增大,激光能量的利用效率逐渐增大并趋于稳定。     

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.