体布拉格光栅用于高功率光谱组束的研究

使用透射型体布拉格光栅组束两束光纤激光,实现了856 W光谱组束输出。总的光谱组束效率为73.7%,组束光束的横向质量因子为7.9,纵向质量因子为2.7。研究结果显示,虽然体光栅的角色散严重影响衍射光束的光束质量,但其并不影响透射光束的光束特性。由于当前宽谱光纤激光器的输出功率远大于窄线宽输出,使用宽谱光纤激光器(光谱带宽超过4nm)作为透射光束,能够在不降低组束效率和组束光束质量的前提下,有效提升使用体布拉格光栅进行光谱组束的总输出功率。     

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.     

基于双色镜光谱合成9.6 kW合成光源

通过光纤激光光谱合成技术,可以打破单个光纤激光器输出功率受非线性因素制约的限制,实现更高功率的激光输出。通过梳理光谱合成技术的发展历程并分析其现状,对其原理及优劣势进行分析,结合自身研究,设计了一款便携式3路合成系统,通过设计及优化光纤激光器的放大结构,严格把控参与合束的子束光源的质量,将1 055、1 070和1 085 nm三路高功率窄线宽光纤激光进行合束,对合成系统中采用的双色镜进行研究,对其膜系指标进行严格的设计,对高陡度截止滤光膜的设计方法以及制备工艺进行分析,对其热损伤规律及控制技术进行研究,优化整个合成系统,最终实现合成功率9 650 W的高功率激光输出,合成效率92%,光束质量M2为1.7,并对未来双色镜光谱合成进行了展望。     

全固态激光中的光谱合成技术

对多种全固态激光中的光谱合成技术进行了探讨和研究,包括光纤激光、Yb:YAG板条激光和半导体激光。对于光纤激光,探讨了基于单个多层介质膜（MLD）光栅、一对MLD光栅、多个体布拉格光栅三种衍射光学元件的光谱合成技术中色散造成的光束质量退化问题,指出子束光谱线型的二阶矩全宽决定了光束质量的退化量,但所允许的光谱宽度又依赖于具体的技术选择途径。进而比较了三种光谱合成方案的优缺点。对于固体激光,实验演示了基于Yb:YAG晶体的板条激光实现光谱合成的原理可行性。通过设计一个基于MLD光栅的振荡器内的光谱合成装置,实现了7束子激光最高241 W的光谱合成输出,合成后光束质量β因子约4.1,表明大功率Yb:YAG板条激光具有通过光谱合束技术实现功率进一步提升的潜力。对于半导体激光,提出并设计了大模场外腔半导体激光+快轴光谱合成的技术。实验演示了9个1 mm宽LD芯片沿快轴方向的光谱合成,用β因子评价合成后的光束质量,在慢轴方向β≈6.3,在快轴方向β≈1.6,表明快轴光谱合成造成的光束质量退化是完全可控的。     

基于锥面衍射实现高效率双光栅光谱合成

分析了基于锥面衍射的双光栅光谱合成系统的可行性,设计了激光入射角为Littrow角附近的双多层介质膜(MLD)光栅光谱合成系统,开展了两路合成实验。当入射极角等于自准直入射角,入射方位角为6°时,光栅衍射效率近似等于光束自准直入射时的衍射效率。基于锥面衍射原理,对中心波长为1050.24 nm和1064.33 nm的两束光纤激光子束进行合成,入射极角为43.99°,测得合成效率为92.9%,较基于非锥面衍射的双光栅光谱合成系统的合成效率提高了8.8%;测得合成光斑光束质量Mx 2=1.204,My 2=1.467,与基于非锥面衍射的双光栅光谱合成系统输出光斑光束质量基本一致。     

780W全光纤窄线宽光纤激光器

高功率窄线宽光纤激光器在相干探测、功率光谱合成等方面具有广泛的应用前景.分析了高功率窄线宽光纤激光器中受激布里渊散射效应的抑制方法,以及正弦相位调制光谱展宽理论.采用正弦相位调制技术将单频激光器的线宽展宽至2.9 GHz,通过三级放大结构对输出功率为50 mW的窄线宽种子源进行放大,实现了中心波长1064.34 nm、线宽2.9 GHz、最大功率780 W的激光输出,光—光转换效率79%,光束质量M2x=1.44,M2y=1.43.分析了相位调制前后输出功率提高的原因,认为正弦相位调制增加的纵模降低了光纤中的功率谱密度,提高了输出激光的受激布里渊散射阈值,促使相位调制后的输出功率大幅提高.该激光器的输出功率仅受限于抽运功率,进一步提高抽运功率,有望实现更高功率的窄线宽光纤激光输出.     

国产25/400μm掺镱双包层光纤实现2.2kW窄线宽单模激光输出

基于自主研制的均匀掺杂低热光系数25/400μm掺镱双包层光纤,开展了全光纤高功率窄线宽光纤激光放大实验。激光系统实现了中心波长为1060.3 nm、线宽为25 GHz、最高功率为2.2 kW的单模激光输出,其斜率效率达78%,光束质量因子M~2≈1.2,其功率是目前报道的基于国产25/400μm掺镱双包层光纤窄线宽放大器单模激光输出的最高功率。     

简单MOPA结构窄线宽激光突破5 kW近单模输出

高功率窄线宽光纤激光器在非线性频率转换、光谱合成以及相干合成等领域有着重要的应用前景。本文基于自研的复合腔结构窄线宽振荡器作为种子,采用单级主振荡功率放大技术（MOPA）,实现了5 kW高效率的近单模窄谱激光输出。通过优化振荡器的时序特性和放大级结构,受激拉曼散射、光谱展宽和热致模式不稳定效应得到综合抑制。在最高功率时,信号光的3 dB和20 dB线宽分别为0.48 nm和2.1 nm,放大器的斜率效率约为86.1%,拉曼抑制比为28.3 dB,光束质量M2约1.35。本研究工作对于高功率窄线宽光纤激光的发展和研究具有重要的指导意义。     

基于功率合束器的多路光纤激光自组织相干合成

提出了基于功率合束器的多路光纤激光自组织被动相干合成结构,研究了多模状态下泵浦功率、合成路数对激光合成效率和光束质量的影响,并对2,3,4路激光合成进行了实验研究,合成效率大于90%。实验结果表明:激光中心主瓣所占能量比随着泵浦功率的增加而增大,随激光合成路数增多而增大;在相同的输出功率下,单路激光的主瓣所占能量比比合成激光主瓣所占能量比要高;降低输出光栅反射率,激光输出能量增强,但合成效率有所降低;增加功率和增加路数可以增加中心亮斑的能量比,但增加幅度变低。     

相干激光阵列的逆达曼光栅合束孔径装填实验研究

提出一种相干激光阵列合束孔径装填的新方法,采用逆达曼光栅及相位补偿原理将多束锁相相干的阵列激光合束装填为远场单一主瓣的光束,给出了相应设计方案,并进行了模拟相干激光阵列合束孔径装填的原理性演示实验。实验结果表明,这是一种实现高功率和高亮度激光的有效技术方案。逆达曼光栅用于相干阵列激光合束是基于远场衍射原理,阵列面和光栅面为严格的傅里叶变换关系,具有原理简单、性能稳定可靠的特点,能够控制输出光束尺寸及其远场光束宽度,对于发展紧凑型、轻量化和高光束质量的高功率激光器系统具有重要意义。     

High average power spectral beam combining of four fiber amplifiers to 8.2 kW

We report on the incoherent beam combination of the four narrow-linewidth fiber amplifier chains running at different wavelengths. Each main amplifier stage consists of a large-mode-area photonic crystal fiber delivering more than 2 kW of optical power. The four output beams are spectrally combined to a single beam with an output power of 8.2 kW using a polarization-independent dielectric reflective diffraction grating mainly preserving the beam quality of the individual fiber amplifiers.     

主振荡功率放大结构窄线宽全光纤激光器334 W高功率输出

 搭建了一台全光纤结构的窄线宽高功率掺镱光纤激光器。种子激光的输出功率大于40 mW,线宽窄于100 MHz。采用主振荡功率放大结构三级放大,主放泵浦功率为405 W时得到了334 W的窄线宽高功率激光输出,光光转换效率为82.4%。目前,激光器输出功率仅受限于泵浦功率,增加有效泵浦功率即有望进一步提高输出功率。     

522 W average power, spectrally beam-combined fiber laser with near-diffraction-limited beam quality

We report a three-channel, spectrally beam-combined (SBC), 1 mum fiber laser that produces 522 W of average power with near-diffraction-limited (M2 ~ 1.2) beam quality. The laser features a SBC power combining efficiency of 93%, versatile master-oscillator, power-amplifier fiber channels with up to 260 W of narrow-band, polarized, and near-diffraction-limited output that is tunable over nearly the entire 1 micro m Yb(3+) gain bandwidth, and excellent prospects for significant power scaling. To our knowledge, these results represent the highest beam quality and average power achieved to date for a beam-combined fiber laser system.     

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。     

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。     

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。     

窄线宽纳秒脉冲光纤拉曼放大器的理论模型和数值分析

窄线宽纳秒脉冲光纤拉曼放大器在非线性频率变换、遥感探测和量子信息等领域有广泛的应用前景.综合考虑受激拉曼散射(stimulated Raman scattering,SRS)、受激布里渊散射(stimulated Brillouin scattering,SBS)、自相位调制(self-phase modulation)和交叉相位调制(cross-phase modulation)等非线性效应,建立了窄线宽纳秒脉冲光纤拉曼放大器的非线性动力学模型.仿真分析了放大器中脉冲激光的时频演化特性,对比研究了抽运脉冲宽度、光纤长度和信号光功率等因素对放大器性能的影响.研究发现,上述因素会影响放大器的SRS阈值、SBS阈值、输出激光线宽、激光转换效率等.例如,当脉冲宽度为800 ns时,SBS随着抽运功率的增加而发生,限制了激光功率的提升;减短抽运脉宽可以抑制SBS,但是输出激光的线宽易于展宽到数百MHz以上;增加光纤长度可以获得更低的SRS阈值和更高的转换效率,但是SBS效应和光谱展宽程度也随之增强.系统搭建中需要平衡各非线性效应,选择合适的系统参数.研究内容可以为窄线宽纳秒脉冲光纤拉曼放大器的设计搭建提供参考.