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。

     

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。     

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。     

掺镱光纤放大器泵浦脉宽优化

为抑制低重复频率高能脉冲光纤主振荡功率放大(MOPA)系统的放大自发辐射(ASE)效应,达到脉冲泵浦的最佳放大效果,需要对泵浦脉宽进行优化。基于求解速率方程和功率传输方程,理论研究了脉冲泵浦下掺镱光纤放大器上能级粒子数密度、光纤内存储能量、正反向放大自发辐射的瞬态响应。在给定的泵浦功率、光纤长度、纤芯面积和掺杂数密度等参数下,数值计算得到的优化泵浦脉宽为793 s。此外,实验测定了ASE的建立时间; 通过调节泵浦脉宽,测定了脉冲泵浦下掺镱光纤放大器的放大效果,实验中得到的泵浦脉宽的优化值为800 s,证明了数值模拟的正确性。     

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。     

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。     

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.     

基于M型掺镱光纤的近单模2 kW光纤放大器

模式不稳定效应和非线性效应已经成为高功率光纤激光器中限制输出功率和光束质量进一步提升的主要障碍.采用改进的化学气相沉积工艺结合溶液掺杂技术制备25/400μm的M型掺镱双包层光纤,纤芯和中间凹陷区域的数值孔径分别为0.054和0.025.基于该光纤搭建976 nm双向泵浦全光纤结构放大器.在泵浦光功率为3283 W时,获得2285 W中心波长为1080 nm的激光输出,3 dB线宽为3.01 nm,测量的光束质量因子为1.42,且未出现受激拉曼散射现象.这是目前基于M型掺镱光纤实现的最高输出功率,通过优化光纤结构参数实现功率进一步提升是有希望的.     

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。     

Dual-wavelength-switching operation based on optical bistability in pump-bypassed ytterbium-doped fiber laser

The bistable feature of residual pump in a pump-bypassed Yb-doped fiber laser offers the potential to pump Er/Yb co-doped fiber in a bifurcated cavity for the lasing of the 1537 nm line. The results of our proof-of-concept demonstration show that the oscillations at 1040 nm and 1537 nm are operated in the wavelength-switching mode, and this suggests that the combination of optical bistability in a pump-bypassed fiber laser cavity with a bifurcated cavity could be one simple and efficient method for switchable dual-wavelength operation. PACS 42.55.Wd; 42.65.Pc; 42.79.Ta     

Tunable double-clad ytterbium-doped fiber laser based on a double-pass Mach-Zehnder interferometer

We have demonstrated an adjustable double-clad Yb³⁺-doped fiber laser using a double-pass Mach-Zehnder interferometer. The laser is adjustable over a range of 40 nm from 1064 nm to 1104 nm. By adjusting the state of the polarization controller, which is placed in the double-pass Mach-Zehnder interferometer, we obtained central lasing wavelengths that can be accurately tuned with controllable spacing between different tunable wavelengths. The laser has a side mode suppression ratio of 42 dB, the 3 dB spectral width is less than 0.2 nm, and the slope efficiencies at 1068 nm, 1082 nm and 1098 nm are 23%, 32% and 26%, respectively. In addition, we have experimentally observed tunable multi-wavelengths lasing output.     

Acousto-optic Q-switched cladding-pumped ytterbium-doped fiber laser

A diode-pumped, acousto-optic Q-switched fiber laser is presented based on multimode ytterbium-doped fiber. The fiber with core diameter of 30 μm is used to increase the laser gain volume and the pulse energy efficiently. The average power in excess of 9 W is obtained at the repetition rate of 20 kHz with 66% slope efficiency. The pulse width is 198 ns with no evident amplified spontaneous emission between pulses, thus the pulse energy and peak power are 465 μJ and 2.36 kW, respectively.     

Highly efficient dual-wavelength ytterbium-doped fiber linear cavity laser based on cascaded fiber Bragg gratings

A highly efficient dual-wavelength ytterbium-doped fiber linear cavity laser is experimentally demonstrated. Two cascaded fiber Bragg gratings are used as the wavelength selection component. Stable dualwavelength operation and wavelength-switching modes can be realized by appropriately adjusting the polarization state of the intra-cavity light and the reflectivity of the laser cavity. For dual-wavelength operation, the power difference between the two wavelength lasers (1029.7 and 1040.4 nm) can be less than 0.6 dB and the signal-to-amplified spontaneous emission (ASE) ratio is more than 52 dB. The slope efficiency of the laser is as high as 63.9%.     

All-fiber tunable ytterbium-doped double-clad fiber ring laser

We have designed and realized a cw all-fiber tunable Yb-doped double-clad fiber laser in a unidirectional ring cavity. The side-pumping V-groove technique is used, yielding very good launching efficiency of the high-power pumping laser diode, together with a compact configuration. The fiber laser delivers as much as 800 mW of power and is tunable in the spectral range 1.04-1.10 microm . The laser linewidth is ~0.1 nm .     

Self-pulsing dynamics of ytterbium-doped fiber laser with pump-bypassed cavity

In addition to efficient continuous wave laser action at 1.06 μm (⁴ F _3/2→⁴ I _11/2 transition), with a slope efficiency 30% and 30 mW pump power threshold, this work presents a throughout study of the spectroscopic, and thermo-optical properties of a 2.0 mol % Nd³⁺ doped fluoroindogallate glass. The characterization of the sample using the pump probe experimental technique indicated the presence of two broad excited state absorption bands from 0.94 to 1.05 μm (⁴ F _3/2→² D _3/2, ² G _9/2, ⁴ G _11/2, ² K _15/2) and from 1.16 to 1.42 μm (⁴ F _3/2→⁴ G _9/2, ⁴ G _7/2, ² K _13/2), found not to interfere with the stimulated emission at 1.06 μm, with a peak cross section value σ_SE = 2.55×10^-21 cm² and a full width at half maximum of 22 nm. Thermal lens measurements were performed to quantify the Auger upconversion parameter (γ=(1.26±0.09)×10^-16 cm³/s) and evaluate the thermal loading in the sample in comparison to other commercial glasses. PACS 181.05.Kf; 78.45.+h; 42.70.Hj     

基于Sagnac环形镜的高功率多波长线偏振掺镱光纤激光器

设计了基于Sagnac环形镜的哑铃型结构全光纤掺镱激光器,使用976 nm多模激光二极管泵浦,通过调节偏振控制器获得了稳定的多波长线偏振激光输出。泵浦功率为20.4 W时,最高输出功率达到5.13 W,功率波动不大于0.02 W,激光器输出多波长激光线偏振度约为14.19 dB,多波长输出功率平坦度优于3 dB。     

基于Sagnac环形镜的高功率多波长线偏振掺镱光纤激光器

设计了基于Sagnac环形镜的哑铃型结构全光纤掺镱激光器,使用976 nm多模激光二极管泵浦,通过调节偏振控制器获得了稳定的多波长线偏振激光输出。泵浦功率为20.4 W时,最高输出功率达到5.13 W,功率波动不大于0.02 W,激光器输出多波长激光线偏振度约为14.19 dB,多波长输出功率平坦度优于3 dB。