一种基于反谐振结构的三能级掺钕激光光纤设计

900 nm掺钕光纤激光器可广泛应用于生物医学诊断、激光检测和光谱分析等领域.钕离子在1060 nm波段四能级跃迁的增益竞争,严重限制了900 nm三能级掺钕光纤激光器输出功率的提升.本文设计了一种纤芯直径为27μm的大模场掺钕实芯双层反谐振光纤,用于产生高功率900 nm激光.通过在有源光纤中引入双层反谐振单元结构,并对光纤结构参数和折射率分布进行优化,模拟结果表明光纤在880—913 nm波段基模损耗小于0.1 dB/m,高阶模式损耗大于10 dB/m,同时在1060 nm波段所有模式损耗达到100 dB/m.本文提出的掺钕实芯反谐振光纤在900 nm高功率光纤激光器和放大器等领域具有广泛的应用前景.

辅助光对高功率掺镱光纤激光放大器受激拉曼散射效应的抑制作用

提出一种利用辅助光调控高功率掺镱光纤放大器中增益分布,以控制信号光的受激拉曼散射(SRS)增益、提高SRS阈值的方法.基于数值模拟分析了辅助光的波长以及辅助光和信号光的功率比例对放大器SRS阈值的影响规律.计算结果显示,通过引入适当波长和功率的辅助光可以有效提升放大器的SRS阈值.

高功率光纤激光器反向光放大和损伤特性数值分析

利用速率方程模型对主振荡-功率放大器结构的1μm波段掺镱(Yb)高功率光纤激光器中存在连续波反向信号光时的功率特性进行了理论分析,结果显示反向信号光功率会被高功率激光放大器所明显放大,10 kW级的光纤激光器中,100 W的反向信号经过放大器后功率会被放大至k W量级;与此同时,反向信号放大过程对反转粒子数的消耗会导致激光器的正向输出功率的严重下降。另外,反向信号放大也会导致放大器输出端的激光功率过强,加剧泵浦吸收和受激发射过程,增加该处的热负载、导致温度大幅上升100℃以上,对稳定性产生潜在影响。反向信号导致振荡器提供的正向种子光功率波动和下降时,正向信号不能充分饱和有源光纤中的增益,会进一步加强反向信号在主放大级中的放大作用,进而对系统造成更严重的影响。提高正向种子光功率、增强正向信号对激光增益的饱和作用,有助于抑制反向信号的放大过程,但需综合考虑种子源稳定性、热负载、热致模式不稳定和受激拉曼散射等因素合理选择种子光功率。

基于锯齿波脉冲抑制自相位调制的高功率窄线宽单频脉冲光纤激光放大器

报道了基于锯齿波脉冲抑制自相位调制(SPM)的高功率窄线宽单频脉冲光纤激光放大器.通过优化掺镱(Yb)石英有源光纤的长度,在保证输出功率和转换效率的同时提高单频光纤激光放大器中的受激布里渊散射阈值,并采用脉冲波形为锯齿波的种子光,利用其光强对时间的变化率为常数的特性有效抑制了SPM效应导致的激光光谱展宽现象.主放大级泵浦功率为11.3 W时获得了平均输出功率为3.13 W、脉冲重复频率为20 k Hz的1064 nm单频激光输出;此时脉冲宽度为6.5 ns,对应峰值功率为24 k W,测得光谱线宽仅为83 MHz,接近变换极限水平.与采用常规高斯波形脉冲种子光的对照实验相比,锯齿波形脉冲对SPM所致的光谱展宽具有显著抑制效果,为高功率窄线宽脉冲光纤激光放大器提供了一种行之有效的方法.

基于猫眼逆反射器的大范围免调试激光器

利用具有逆反射特性的光学元件构成激光器的谐振腔,能够赋予激光器大范围免调试工作的潜力.本文讨论了谐振激光自适应无线传能/通信等新兴应用对激光器免调试工作范围的要求,设计了基于猫眼逆反射器的大范围免调试激光器,采用腔内望远镜系统和复合腔结构分别拓展激光器的工作距离范围和提升激光安全性.通过对激光谐振腔的稳定性分析和对猫眼逆反射器的像差分析,明确了球差和场曲导致的猫眼离焦分别是限制免调试激光器工作距离和视场的关键因素.实验中通过优化光学设计补偿像差,实现了端面泵浦Nd:GdVO4激光器的大范围免调试运转.16.6W泵浦功率下,激光器接收端在1—5 m工作距离范围内移动和在±30°接收端视场范围内转动时输出功率保持在5 W以上,功率波动小于10%,无需重新准直调节.5 m工作距离下,在4.6°发射端视场内输出功率保持在其最大值的50%以上,对应接收端横向移动范围达到40 cm.本工作明确了猫眼腔免调试激光器的设计优化原则,为相关研究提供了实验结果参考.

利用球差实现超高阶拉盖尔—高斯模式激光振荡

基于腔内球差选模方法在端面泵浦的Nd:YVO_(4)激光器中实现了能够对角向指数m进行便捷选择的高阶LG模式激光输出,从LG模式光斑半径和能量分布的角度对实验现象进行解释,分析发现不同模式间球差引起的实际焦点偏离是实现单一LG模式运转的关键,而单一模式自身球差产生的损耗决定了该模式是否能够起振。根据理论分析,分别通过使用长焦距透镜减小球差以降低高阶模式的损耗和增加泵浦功率以提高增益,实现了角向指数m最高达到±95的超高阶LG模式输出;通过使用短焦距透镜增大球差来加强对光斑较小的低阶模式的区分度,实现了径向指数p>0的LG模式输出。

免调试激光器与谐振激光自适应无线传能技术(特邀)

作为最具代表性的定向能载体,激光可用于高功率、长距离的无线能量传输。传统上激光无线传能一般通过跟瞄系统实现,而近年来发展的谐振激光自适应无线传能技术提供了一种无需跟瞄的新解决思路,受到广泛关注。文中分析比较了这两种方法的特点,展望了未来发展趋势,并对后者的核心免调试激光器的实现方法进行了总结。

基于球差选模的激光器横模特性实验

开发了面向光电子专业高年级本科生的基于球差选模的固体激光器横模特性实验系统,在激光谐振腔内使用短焦距透镜引入球差,使具有不同光斑尺寸的各阶横模的空间光路发生分离,从而便捷地实现对不同阶数横模的选择和切换.该实验系统综合激光原理中的腔模理论和几何光学中的像差理论,学生可以直观地观察到透镜的球差对激光器工作状态的影响和稳定的高阶横模图像;通过定性和定量分析,直接体现球差、激光器的模式匹配、谐振腔的稳区、激光的横模等重要知识点及其对激光器工作状态的影响.同时该实验提高了学生在激光器调试准直和工具软件使用方面的实践技能.

激光雷达用高性能光纤激光器

系统研究了窄线宽低噪声单频连续光纤激光器、高能量纳秒长脉冲单频光纤激光器以及高峰值功率纳秒短脉冲光纤激光器三类高性能光纤激光器:实现了工作于1、1.5及2μm波段的单频连续光纤激光器,典型光谱线宽小于3 k Hz,强度噪声接近于散粒噪声极限;实现了高能量单频光纤激光器,脉冲能量超过200μJ,重复频率20 k Hz,脉冲宽度100~500 ns,激光波长位于1.5μm波段;实现了高峰值功率纳秒短脉冲光纤激光器,峰值功率超过700 k W,重复频率10 k Hz,脉冲宽度3 ns;同时还实现了高重频高峰值功率纳秒短脉冲光纤激光器,峰值功率超过200 W,重复频率3 MHz,脉冲宽度1~5 ns。文中阐述了以上几类高性能光纤激光器在激光雷达探测系统中的应用前景。

基于稀土掺杂石英光纤的单频光纤激光器

系统研究了利用稀土掺杂的石英光纤作为激光增益介质来实现分布布拉格反射式单频光纤激光器。实验中,分别将掺有Nd^(3+)、Yb^(3+)、Er^(3+)/Yb^(3+)和Tm^(3+)的商用石英光纤,熔接到激光谐振腔中,实现了基于石英玻璃光纤的光纤激光系统在多波段的单纵模运转。对各光纤激光器的单频特性进行了研究,其中,激光器线宽可达几十千赫(特别是对于Er^(3+)/Yb^(3+)共掺光纤激光器,其线宽窄于7 kHz),激光系统的强度噪声接近于散粒噪声极限,实验中获得了激光波长由930 nm到2μm的单频光纤激光器。实验结果证明:商用的稀土掺杂石英光纤能够作为有效的增益介质来实现短腔型单频光纤激光器。同时,通过进一步的系统集成,基于稀土掺杂石英光纤的单频光纤激光器将得到更加广泛的应用。

880nm同带泵浦的高效率Nd:YVO_4自拉曼激光器（英文）

利用880 nm半导体激光器同带泵浦声光调Q Nd:YVO4自拉曼激光器,以减轻热效应对泵浦功率的限制和对拉曼增益的影响,获得高效的1 176 nm一阶斯托克斯光输出。使用两块长度10 mm的Nd:YVO4晶体作为增益介质,脉冲重复频率190 k Hz时,在26.8 W入射泵浦功率下获得6.11 W的平均输出功率,光光转换效率22.8%。实验研究了拉曼增益介质长度对输出功率和转换效率的影响,并对自拉曼激光器输出功率曲线中出现凹陷的原因进行分析,认为凹陷并非源自谐振腔稳定性,而是由于增益较弱的斯托克斯光对于谐振腔失调的敏感性所致。对照试验结果显示,与808 nm传统泵浦方式相比,880 nm同带泵浦下自拉曼激光器的输出功率和转换效率得到明显提高。

高性能单频光纤激光器研究进展:2017-2021(特邀)

单频光纤激光器以其独特的窄线宽、低噪声的激光特性,结合光纤系统高光束质量、高集成性以及免维护等应用优势,在冷原子物理、高分辨光谱分析、引力波探测以及远距离相干通信等前沿科学研究和应用领域具有广泛前景。伴随着光纤激光技术的快速发展,单频光纤激光器的性能在过去的二十年间得到了长足进步,单频光纤激光技术的基本体系逐渐建立。近年来,研究人员围绕高性能单频光纤激光器开展了一系列创新工作,在探索单频光纤激光的新机制、新结构,提升单频激光功率、压缩线宽、抑制噪声以及拓展工作波段等方面取得了不俗的研究成果。为此,笔者系统总结分析了近五年来高性能单频光纤激光器的研究进展,及时捕捉当前单频光纤激光领域研究趋势及所面临的新的发展瓶颈,并对单频光纤激光技术在新阶段的发展方向进行了展望。

单频EYDFA中种子光功率和增益光纤温度对输出线宽的影响

针对单频激光在放大过程中线宽展宽的问题,对1 550 nm单频铒镱共掺光纤放大器(EYDFA)中种子光功率和温度对输出线宽的影响进行了实验研究。实验对比了不同种子光功率、增益光纤温度下,放大后线宽的变化情况。实验结果表明,获得相同输出功率时,提高的种子光功率会增加输出信噪比(SNR),并降低放大后线宽展宽的程度。当种子光功率确定时,增益光纤温度也会影响输出线宽。在相同泵浦功率下,增益光纤温度上升会提高放大器的效率和增加受激自发辐射(ASE)强度,但会使输出线宽的展宽增加。同时,分析了种子光功率和温度影响EYDFA输出线宽的原因,认为ASE是影响线宽展宽特性的原因之一。

高功率双包层掺铥光纤放大器温度分布特性（英文）

通过对普适于不同内包层边界条件下的热传导方程进行推导和求解,得到了不同内包层形状的双包层增益光纤所对应的掺铥光纤放大器的三维热分布。计算结果表明,双包层光纤不同内包层形状可导致纤芯处的温度差高达107 K。同时,信号光与泵浦光功率的比值决定了温度最高点和熔接点的距离,在泵浦光功率为100 W、信号光功率为10 mW的情况下,两者之间的距离可达30 cm。通过分析不同内包层形状的双包层光纤的径向与轴向的热分布情况发现,相较于其他内包层形状的双包层光纤,偏芯型双包层掺铥光纤因其具有较低的最高温度、较高的泵浦效率和高斯型横截面热分布而较适用于掺铥光纤放大器。

914 nm共振泵浦高效率主动调Q Nd:YVO_4自拉曼激光器（英文）

报道了一种基于914 nm共振泵浦技术的高效主动调Q Nd:YVO_4自拉曼激光器。将处于基态低斯塔克能级粒子直接泵浦到激光上能级,可以减小斯托克斯因子损耗、降低量子亏损,从而实现了高效的1 176 nm拉曼光输出。在共振泵浦条件下,对泵浦吸收对转换效率的影响进行了详细的实验研究。使用两块掺杂浓度不同的Nd:YVO_4晶体,分别获得了1.51 W(1.0-at.%,20℃)和2.11 W(2.0-at.%,20℃)的平均输出功率,对应的光光转换效率分别为28.5%(1.0-at.%)和35.2%(2.0-at.%),相对于吸收泵浦光的转换效率分别为42.7%(1.0-at.%)和39.0%(2.0-at.%)。

应用于手机支付的2.4G RF_SIM卡

中国有超过5亿的手机用户,信用卡用户也有近1.5亿,以小额支付为主的一卡通用户数更为庞大,这些都是中国手机支付的潜在市场。支付手段的电子化和移动化是必然趋势。基于2.4G射频RF_SIM卡的移动支付技术可不更改移动终端就能实现移动支付功能,非常适合我国国情,能快速普及和快速产业化。

本研贯通人才培养模式的课程思政教学探索——以“非线性光学”课程组为例

人才培养是高校的基本功能和根本任务,而人才培养模式是关系教育质量的首要问题,目前高水平大学施行的本研贯通人才培养模式,旨在打通本科教育与研究生教育的隔阂,培养符合国家需求的卓越人才。作为人才培养的重要一环,课程思政教学改革推动思想政治教育与专业教学的有机融合,能够极大地促进学生树立正确的人生观、价值观和道德观,是实现全方位育人目标的重要保证。结合天津大学“非线性光学”课程组的课程思政教学体会,对本研贯通培养模式下如何实现课程思政教学的有效衔接和融会贯通进行了深入思考和探索,通过因人而异、因时而异、因课而异的实践方式,在教学过程中达到了良好的教育效果。

重复频率1.2GHz皮秒脉冲全光纤掺镱激光器

研究实现了基于半导体可饱和吸收体被动锁模的高重频全光纤掺镱皮秒脉冲激光器.种子源采取环形腔结构,当抽运功率为112 mW时,获得了稳定的锁模脉冲激光,其中心波长为1064.1 nm,3 dB谱宽为3.6 nm,脉冲宽度为4.2 ps,重复频率为19.2 MHz.受限于谐振腔长度,光纤激光器重复频率很难得到进一步提高.因此设计并搭建了一种基于分束器和延时光纤的全新低损耗高重频脉冲调制器,将种子激光重复频率提高到1.2 GHz.该设计有效降低了脉冲在耦合过程中的能量损耗,为提高全光纤超短脉冲激光器重复频率提供了新途径.

基于MMI滤波器的可调谐连续光全光纤OPO

在连续光全光纤光学参量振荡器(FOPO)中,目前主要利用可调滤波器(TBPF)等高插入损耗的滤波器件进行边带光输出波长的调谐,这种方式所引起的高环形腔损耗限制了FOPO输出性能的进一步提升。为解决此问题,提出了基于多模干涉(MMI)滤波器的低腔损耗可调谐连续光FOPO。通过选取不同长度和纤芯尺寸的多模光纤制作级联单模-多模-单模光纤(SMS)作为滤波器件,使其在选定波长处的插入损耗小于1 dB,FOPO环形腔的总损耗不大于5 dB,并通过对SMS器件施加轴向拉力的方式调节滤波器件的透射谱,实现了1 494～1 501 nm和1 638～1 629 nm范围内的双边带可调谐连续光输出。

基于腔内球差选模产生高阶拉盖尔-高斯模式激光

本文报道了基于腔内球差在端泵Nd:YVO_(4)激光器中选择单一高阶拉盖尔-高斯(LG)振荡模式的实验研究.在激光谐振腔内使用短焦距透镜引入明显的球差,使具有不同光斑半径的各阶LG模式的光路在空间上发生分离,从而实现对模式的选择作用,1.03 W泵浦功率下线偏振1064 nm激光能够在LG_(0,)±10和LG_(0,)±33之间以单横模工作.分析发现适当的横模间球差是抑制边模、选择单一高阶LG模式的必要条件,而过大的球差又会导致单一LG模式自身遭受明显的损耗,不利于产生高阶的LG模式输出.据此进一步优化实验参数,获得了角向指数m达到±75的高阶LG模式输出.