基于随机并行梯度下降算法的多波长激光相干合成

由于受到受激布里渊散射(SBS)等非线性效应的限制,单频激光放大器的功率在百瓦量级,以非单频激光多波长激光作为种子源能够有效地抑制SBS并提高放大器功率.与单频激光相干合成相比,非单频率、多波长激光的相干合成有望将输出激光功率成量级地提高.基于随机并行梯度下降(stochastic parallel gradient descent,SPGD)算法,实现了四波长激光的相干合成.在系统闭环时,四路多波长激光合成后的主瓣能量能够提高3倍,达到理想值的75%.验证了多波长、非单频激光相干合成的可行性,为高功率相干合成的发展提供了新的途径.     

三路掺镱光纤放大器的相干合成实验研究

光纤激光相干合成技术是实现高功率、高亮度光纤激光系统的重要技术途径。采用主振荡并联放大器（MOPA）方案对三路掺镱光纤放大器进行实时相位探测与校正,其中每路光纤放大器的输出功率大于等于1 W,三路总功率大于等于3 W。采用铌酸锂光纤相位调制器,外差法系统的移频量为40 MHz,相位探测与校正精度优于l/20,整个光路为全保偏光路。实验分别给出了两路和三路光纤放大器的相干合成结果。系统开环时,远场光斑为动态、模糊干涉条纹,条纹可见度为7%和6%;系统闭环运行时,远场光斑为稳定、高对比度干涉条纹,条纹可见度有大幅度提高,达到44%和48%。这表明闭环控制使两路和三路光纤激光的相位变化得到了有效补偿,系统实现了相位锁定运行和高相干度合成输出。     

多抖动法主振荡功率放大器相干合成技术

采用多抖动相位控制方法实现了两路和三路1 Ｗ量级光纤放大器的相干合成,对实验结果进行了详细分析。实验中,将种子光源输出激光分为两路（或三路）,分别通过光纤放大器进行功率放大,并采用多抖动法实现相干合成。控制系统开环时,远场光斑条纹模糊不清,两路和三路合成时条纹对比度分别为0.19和0.12;系统闭环时,远场光斑条纹清晰可见,对比度提高到0.93和0.81,合成效率分别为80%和77%。此外,对两路和三路的合成效果进行了比较,指出了各路的控制资源对合成效果的影响。     

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。     

单端泵浦光纤放大器获得4 kW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。     

全光纤光反馈环形腔结构多路激光被动相干合成

提出了基于全光纤光反馈环形腔结构的多路光纤激光相干合成方案,实现了多路激光的被动相干合成。全光纤结构避免了传统孔径拼接输出结构的旁斑能量耗散问题,保证了合成光束的光束质量。开展了实验研究,实现了4路光纤激光的相干锁相输出,获得时域、空域特性均十分稳定的合成光束,合成效率为96.1%,取得较好的合成效果。     

全光纤光反馈环形腔结构多路激光被动相干合成

提出了基于全光纤光反馈环形腔结构的多路光纤激光相干合成方案,实现了多路激光的被动相干合成。全光纤结构避免了传统孔径拼接输出结构的旁斑能量耗散问题,保证了合成光束的光束质量。开展了实验研究,实现了4路光纤激光的相干锁相输出,获得时域、空域特性均十分稳定的合成光束,合成效率为96.1%,取得较好的合成效果。     

100W,2.6mJ衍射极限输出的全光纤主振荡功率放大脉冲激光器

研究了一台基于主振荡功率放大(MOPA)结构的全光纤结构脉冲激光器。利用声光调Q,获得了平均功率约为500mW的脉冲种子源,采用一级预放大器使输出脉冲放大到10W;主放大器利用一台中心波长为976nm的带尾纤的半导体激光器对掺Yb3+双包层光纤抽运。最终在40kHz的重复频率下实现了中心波长为1064nm、脉宽为2.4μs、平均功率大于100W、脉冲能量达到2.63mJ、输出光束的M2因子为1.2的激光脉冲输出。     

光纤放大器受激布里渊散射效应抑制

提出了一种多波长窄线宽光纤放大器,其种子光由多个单频激光耦合而成,所有单频激光波长几乎相等（波长间隔小于1 nm）,频率间隔大于两倍布里渊频移。建立了此类多波长窄线宽光纤放大器的完整理论模型,分析了放大器中受激布里渊散射（SBS）与种子数目的关系。搭建了双波长和三波长窄线宽光纤放大器,进行SBS阈值输出功率测定实验。实验结果与理论模拟结果基本一致,验证了理论模型的合理性;双波长和三波长放大可以有效抑制SBS效应,大幅提高放大器输出功率。     

光纤放大器受激布里渊散射效应抑制

提出了一种多波长窄线宽光纤放大器,其种子光由多个单频激光耦合而成,所有单频激光波长几乎相等（波长间隔小于1 nm）,频率间隔大于两倍布里渊频移。建立了此类多波长窄线宽光纤放大器的完整理论模型,分析了放大器中受激布里渊散射（SBS）与种子数目的关系。搭建了双波长和三波长窄线宽光纤放大器,进行SBS阈值输出功率测定实验。实验结果与理论模拟结果基本一致,验证了理论模型的合理性;双波长和三波长放大可以有效抑制SBS效应,大幅提高放大器输出功率。     

基于空间滤波的光纤激光被动相位锁定技术研究

基于空间滤波的被动相位锁定,对掺Yb光纤激光阵列的相干组束进行了理论和实验研究.分析了基于空间滤波光反馈相位锁定的原理,研究了远场相干光斑Strehl比与激光波长及光谱带宽的关系.建立了二维四路掺Yb光纤放大器阵列的被动相位锁定实验系统,实现了稳定的相干耦合激光输出,远场光斑Strehl比为0.77.测得输出激光光谱中单个纵模的带宽约为9.1 GHz,与理论计算符合较好. 关键词： 光纤激光 相干合成 环形腔     

1μm全光纤MOPA结构激光器输出特性研究

主振荡功率放大（main oscillation power amplification, MOPA）结构由于其光束质量良好和参数可调的优点,已成为高功率光纤激光器的主流设计之一。为了改善高功率掺镱光纤激光器（ytterbium-doped fiber laser, YDFL）的输出性能,提高系统的光-光转换效率,文中报道了一台基于915 nm泵浦激光器和双包层掺镱光纤（ytterbium-doped fiber, YDF）的MOPA结构全光纤高功率激光器。该高功率光纤激光器由电调制激光二极管（laser diode, LD）泵浦的种子激光器和掺镱光纤放大器（ytterbium-doped fiber amplifier, YDFA）组成。连续光（continuous wave, CW）工作模式下,激光种子源经过YDFA后,实现了中心波长为1 069.96 nm的激光输出,最大平均输出功率可达945.9 W,MOPA激光器整机的斜率效率高达74.12%,具有良好的稳健性。该研究方案对研制高功率MOPA光纤激光器具有参考意义。     

100 W全光纤声光调Q光纤激光器实验研究

报道了一台全光纤结构主振荡功率放大(MOPA)型掺镱脉冲光纤激光器,以光纤光栅为腔镜,光纤型声光调Q的光纤激光器为种子源,通过两级掺镱双包层光纤放大器实现功率放大。对声光调Q的光纤激光器输出特性进行了研究,比较了不同泵浦波长、不同重复频率对激光输出功率和脉冲宽度的影响,并实现了最短脉冲宽度25 ns、单脉冲能量45 μJ的脉冲激光输出。在重复频率50 kHz时,对脉冲宽度130 ns、平均功率0.6 W的种子光进行放大,得到了平均功率102.5 W、脉冲宽度约240 ns的激光输出。     

环形腔被动锁相一维三路光纤激光相干组束研究

对基于环形腔光反馈的光纤激光被动锁相技术进行了理论和实验研究。建立了一维三路光纤激光阵列的相干组束实验装置,实现了三束光纤激光的相位锁定,观测到稳定的干涉图样。研究了光束占空比对远场光斑的影响,分析了影响腔内损耗的主要因素。观测到相干耦合输出光谱中所存在的多波长峰值随机出现的现象,通过采用窄带宽滤光片,可以限制相干耦合输出的光谱范围,但上述现象仍然存在。从理论上对被动锁相技术中所存在的这种波长随机现象进行了分析和解释。     

100 W全光纤声光调Q光纤激光器实验研究

 报道了一台全光纤结构主振荡功率放大(MOPA)型掺镱脉冲光纤激光器,以光纤光栅为腔镜,光纤型声光调Q的光纤激光器为种子源,通过两级掺镱双包层光纤放大器实现功率放大。对声光调Q的光纤激光器输出特性进行了研究,比较了不同泵浦波长、不同重复频率对激光输出功率和脉冲宽度的影响,并实现了最短脉冲宽度25 ns、单脉冲能量45 μJ的脉冲激光输出。在重复频率50 kHz时,对脉冲宽度130 ns、平均功率0.6 W的种子光进行放大,得到了平均功率102.5 W、脉冲宽度约240 ns的激光输出。     

主振荡功率放大 (MOPA)短脉冲光纤激光系统的偏振特性研究

对自行研制的MOPA（master oscillator power amplifier）结构短脉冲双包层光纤激光系统（2W,35ps）的偏振特性进行了系统的研究。分别研究了种子源激光和经过包层泵浦放大后输出激光在连续工作和脉冲输出情况下的偏振特性,结果表明在不加偏振控制措施情况下,系统输出为椭圆偏振光,偏振度和偏振角都容易受到光纤扰动的影响;在激光腔内加入起偏器后,输出线偏振光,偏振态相对比较稳定,但是偏振角度仍然容易受到光纤扰动的影响,可以加偏振控制器加以改善。实验证明,经过高功率放大后,输出激光的偏振态稳定性有一定程度的下降,在进行激光相干合成前需进一步加以控制。     

随机并行梯度下降算法模拟两路光纤放大器相干合成与实验研究

对利用随机并行梯度下降(SPGD)算法对多路光纤放大器相干合成进行了数值模拟,并进行了两路瓦级光纤放大器相干合成的实验.实验结果表明,SPGD算法能够有效控制各路光纤激光的相位,系统闭环将目标圆孔内的能量提高了1.57倍;并使得目标圆孔内能量大于理想值80%的概率从27.7%提升到了70.3%.取得了较为明显的相干合成效果.对算法用于多路高功率光纤放大器相干合成的可行性进行了探讨.     

同带泵浦高功率超荧光光源

报道了一台基于同带泵浦技术的主振荡功率放大(MOPA)结构超荧光光纤光源。首先利用自行搭建的超荧光种子源获得了半高全宽(FWHM)线宽10.3 nm的宽谱超荧光种子,经光谱滤波得到FWHM线宽1.8 nm的窄谱种子光;种子光经二级预放大器放大至104.4 W后注入主放大器;主放大器最高输出功率3.14 kW,最高输出功率时光光转换效率80.74%,光谱FWHM线宽4.68 nm,光束质量因子为1.59。进一步提高系统泵浦功率有望获得更高功率输出。     

342W全光纤结构窄线宽连续掺铥光纤激光器

报道了一个全光纤主振荡功率放大结构的窄线宽连续掺铥光纤激光器,该激光器由窄线宽连续掺铥光纤激光种子源和两级包层抽运掺铥光纤放大器组成.自制的窄线宽掺铥光纤激光种子源经过两级高功率包层抽运掺铥光纤放大器之后,最高平均输出功率为342 W,掺铥光纤功率放大器的斜率效率为56%,输出激光的中心波长为2000.3 nm,3 d B光谱带宽仅为90 pm.在放大过程中,功率放大器的反向监测端没有观察到受激布里渊散射效应,输出功率仅受限于当前可用的793 nm半导体抽运源的功率.据我们所知,该结果为目前国际上2μm波段全光纤结构窄线宽激光器所产生的最高输出功率.     

脉冲光纤激光被动相干偏振合成研究

提出了脉冲激光被动相干偏振合成方案．利用光反馈环形腔结构实现多路激光的自组织被动锁相,利用级联偏振合柬的结构实现多路激光偏振合成,实现多路相干光束同轴输出．开展了4路脉冲激光相干偏振合成实验研究,获得了91．9％的合成效率,可获得时域、空域特性均十分稳定的合成脉冲激光．该方案为获得高功率脉冲光纤激光提供了一条可行的技术途径．