LD泵浦高亮度光纤激光器:设计、仿真与实现(特邀)

LD泵浦掺镱光纤激光器具有低成本、高效率、高光束质量等优点,在工业、科研、国防等领域有着广泛的应用。在大部分实际应用中,由功率和光束质量决定的亮度是影响光纤激光器实际作用性能的核心指标。受到非线性效应(尤其是受激拉曼散射)和模式不稳定效应的限制,当前高亮度掺镱光纤激光器输出功率提升遭遇了明显的技术瓶颈。为了抑制非线性效应和模式不稳定效应,在传统方法的基础上,提出了变纤芯直径光纤和优化泵浦波长等成体系的方法以提升光纤激光器的输出功率;为了有效提高对光纤激光器的设计研发能力,提出并开发了具有自主知识产权的光纤激光仿真软件SeeFiberLaser。首先,介绍了影响宽谱高功率掺镱光纤激光器亮度提升的主要限制因素,给出了各个限制因素的抑制方法;其次,利用自研光纤激光仿真软件SeeFiberLaser对提升光纤激光器功率的方法进行优化设计,并对工业常用的振荡器和高亮度光纤激光放大器进行仿真优化;然后,介绍课题组采用后向泵浦、变纤芯直径光纤和优化泵浦波长等方法提升激光功率,实现的6~10 kW高亮度功率光纤激光器;最后,对更高亮度光纤激光器的技术方案进行讨论和展望,提出了无源器件集成化、增益传能光纤一体化等思路,提出了基于变纤芯直径增益传能一体化光纤和集成化无源器件的新型高功率近单模光纤激光器技术方案。

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981nm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。

双端输出近单模准连续全光纤激光器

准连续光纤激光器在工业领域有着广阔的应用前景,双端输出结构为工业低成本高功率光纤激光器提供了新思路,提出并研究了双端输出准连续光纤激光器.基于稳态速率方程,建立了双端准连续光纤激光振荡器的理论模型,对该类型激光器的输出功率、时序及非线性效应进行了仿真研究.结果表明:延长泵浦上升时间可以有效抑制弛豫振荡,在脉冲持续时间内获得稳定的输出;双端输出准连续激光器相比单端输出结构,非线性效应累积更小.实验采用纤芯/包层直径为20/400μm的掺镱光纤,首次实现了峰值功率3 kW的双端准连续近单模激光输出,两端峰值功率分别为1218和2220 W,对应光束质量因子M^(2)分别为1.34和1.27,光光转换效率约为60%,脉宽为100μs,重频为1 kHz.验证了双端输出准连续光纤激光器实现高功率、高光束质量输出的可行性,为小体积、低成本、高功率和高亮度的准连续光纤激光器提供了支撑.

一种基于光学隧穿效应的新型拾音器方案探索

为了探索新型高灵敏度光电拾音器技术方案,基于光学隧穿效应研究,将声压变化转换为全反射棱镜中全反射面与摆片光学面之间的光学隧穿距离变化,从而改变光束在棱镜全反面处的反射(透射)损耗,通过直接测量反射(透射)光的功率变化,实现拾音器基本功能。利用半导体激光器和直角全反射棱镜搭建了一套简易的原理验证实验系统,并利用该系统对三角波信号驱动进行了实验。结果表明,反射光功率会随着三角波信号的改变而改变,光功率改变达到5.6%;由声音引起的玻璃振膜距离变化也可改变输出光功率,并被检测出来。初步验证了该方案的可行性。

国产纺锤形增益光纤主振荡功率放大器实现5kW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,M^(2)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。

5 kW振荡放大一体化高可靠性光纤激光器

振荡放大一体化光纤激光器具有振荡器抗回光能力强和放大器效率高的双重优点,在工业领域有着很好的应用前景。国防科大首次实现了输出功率大于5 kW的振荡放大一体化光纤激光器,光光效率约为80%。重点研究了该激光器在高功率运行时的可靠性和控制逻辑。首先,类比普通放大器中“不开种子、只开放大”的情况:在振荡部分泵浦源关闭时,瞬间开启放大部分泵浦源;其次,类比普通放大器中“不关放大、只关种子”的情况:在放大部分泵浦源开启时,瞬间关闭振荡部分泵浦。实验结果表明,以上两种极端情况下激光器都可稳定正常工作。首次验证了该激光器在控制逻辑和泵浦源开关顺序方面无特殊要求。

高功率光纤激光器反常模式不稳定效应实验研究

模式不稳定是限制当前高功率光纤激光器功率提升的主要因素。在近单模光纤激光器中,一般采用减小光纤弯曲直径的方法增加高阶模损耗、提升模式不稳定阈值;然而,少模光纤激光器中存在多个高阶模式,会导致动态模式不稳定(TMI)阈值随着弯曲直径减小而降低的反常模式不稳定现象。基于纤芯/包层直径为30/600μm的双包层掺镱光纤以及具有不同直径的光纤水冷柱,设计了一台后向泵浦的高功率光纤放大器,研究了该激光器中的反常模式不稳定现象。结果表明:当采用中心波长为976 nm的稳波长激光二极管(LD)作为泵浦源时,随着增益光纤弯曲直径由13 cm增加至16 cm,激光器的TMI阈值由1650 W提升至3740 W,提升幅度约为1.27倍,输出激光的相对亮度提升了87%。光纤弯曲直径的增加虽然会带来输出激光光束质量的轻微退化,但输出激光的相对亮度能够大幅提升。最终,结合光纤弯曲以及泵浦波长优化,实现了7.1 kW高亮度光纤激光输出,相对亮度为1293。

飞秒激光刻写光纤布拉格光栅实现8 k W光纤振荡器

高功率光纤振荡器具有结构紧凑、控制逻辑简单、抗回光能力强、稳定性好等特点,在工业加工与国防科研等领域具有重要的应用价值。光纤布拉格光栅(FBG)作为腔镜,是光纤振荡器中至关重要的器件。目前,高功率FBG主要通过紫外曝光法制备,在刻写前后需要分别对光纤进行载氢和退火处理,大大增加了FBG的制作周期与成本。基于飞秒激光刻写FBG可以有效解决这一问题。

全光纤激光振荡器输出功率突破6 kW

高功率光纤激光振荡器系统结构和控制逻辑简单、性能稳定可靠,在工业加工领域有着广泛的应用。2018年以来,光纤振荡器的输出功率得到了极大的提升。基于空间耦合结构,德国Laserline公司于2019年2月报道了输出功率为17 kW的光纤激光振荡器。利用全光纤结构,日本藤仓公司与德国耶拿大学于2018年分别报道了输出功率为5 kW的全光纤振荡器;国内国防科技大学也于2018年1月实现了全光纤激光振荡器5.2 kW的功率输出。

基于国产双锥形光纤实现3kW单模全光纤振荡器

高功率光纤振荡器具有结构紧凑、成本低廉、稳定性好等优点,在工业加工、材料处理等领域备受青睐。近年来,随着光纤光栅等器件工艺的突破,光纤振荡器的功率得到稳步提升。2020年初,国防科技大学和日本藤仓公司先后报道了输出功率分别为6kW和8kW的全光纤结构振荡器。目前,光纤振荡器的输出功率主要受限于光纤中的非线性效应和模式不稳定效应(TMI)。

基于纺锤形光纤的振荡放大一体化激光器实现6kW输出

振荡放大一体化光纤激光器具有激光效率高、抗反射能力强等优点,在工业加工等领域得到了广泛的应用。2018年,伊朗科技大学利用该结构将普通振荡器的模式不稳定阈值从不到1kW提升到1.6kW。同年,中国工程物理研究院基于该结构实现了2kW激光输出。2021年,本课题组基于该结构获得了5kW激光输出,并验证了其控制逻辑的可靠性:无论种子部分和放大部分的泵浦源开关时序如何。