自主研制的976 nm波段光纤激光器实现500 W量级功率输出

976 nm波段掺镱光纤激光器因其在高功率光纤激光器和新型波段固态激光器等领域具有重要的应用前景,因而受到广泛关注。不过,由于其三能级跃迁特性,该激光器的功率拓展受到泵浦阈值高、放大自发辐射强等物理因素的制约,要实现高功率输出难度较大。国际上,该激光器已报道的最高功率为151 W。国防科技大学针对影响该激光器功率提升的核心限制因素开展了研究,2021年利用自主研制的976 nm波段光纤激光器,国际上首次实现了500 W量级功率输出。

自主研发的976nm波段全光纤激光器实现了100W量级功率输出

976 nm波段掺镱光纤激光器可作为高功率掺镱/铒光纤激光器的高亮度泵源,在蓝光和紫外光源等领域也有良好的应用前景,因而备受关注。不过,由于其三能级跃迁特性导致的泵浦阈值高、放大自发辐射强等问题,该激光器的功率提升面临巨大挑战。现阶段,国际上976 nm波段光纤激光器的输出功率达到100 W量级,而国内976 nm波段光纤激光器的输出功率仅为20 W量级。国防科技大学针对影响该激光器功率提升的核心限制因素开展了研究,2019年自主研发的全光纤结构976 nm波段光纤激光器实现了100 W量级输出,实验结构示意图及实验结果如图1所示。

高功率光纤激光器功率合束器的研究进展(特邀)

光纤功率合束器是实现高功率光纤激光的核心元器件,可将多个中等功率的光纤激光器进行功率合成,以获得更高功率的光纤激光输出,解决单根光纤激光器功率进一步提升所遇到的瓶颈问题。文中综述了光纤激光功率合束器的基本结构和国内外研究现状,阐述了光纤功率合束器的工艺制作流程以及工艺难点,针对现存问题及今后的研究方向提出了建议。

窄线宽脉冲光纤激光的自相位调制预补偿研究

自相位调制(SPM)效应会展宽窄线宽脉冲光纤激光的光谱宽度,降低其相干性.通过相位调制对SPM引起的非线性相移进行预补偿,能够使脉冲激光在光纤中进行放大和传输后保持种子激光的光谱特性.基于三波耦合方程开展数值仿真,研究了在对SPM进行"欠补偿","完全补偿"和"过补偿"的情况下,SPM预补偿对受激布里渊散射阈值和激光光谱特性的影响.开展了SPM预补偿实验研究,将脉冲激光的光谱宽度从1.4 GHz压缩到120 MHz.研究内容可以为窄线宽脉冲光纤激光系统的设计搭建提供参考.

5kW全光纤结构1018nm激光合成

光纤激光同带抽运方案具有泵浦亮度高、量子亏损小等优势,有着巨大的功率提升潜力,是近年来国际上的研究热点。1018nm光纤激光可作为高功率掺镱光纤激光器的高效同带抽运源,但是单个1018nm光纤激光器输出功率有限,光束合成是突破这一局限的重要方案。基于19台单模1018nm光纤激光器和一个19×1光纤功率合束器,搭建了一套全光纤结构激光合成系统,实现了5kW的1018nm合成激光输出。

高光束质量3×1光纤功率合束器的研制

在基于光纤功率合束器的高功率合成方案中,合成后激光保持好的光束质量是当前激光领域亟待解决的问题之一。实现了一种高光束质量光纤功率合束器的研制。首先,利用仿真软件建立3×1光纤功率合束器模型,对影响功率合束器光束质量和传输效率的因素进行了仿真,得到了制作合束器最佳参数的理论值;其次,基于光纤包层腐蚀技术,根据仿真结果利用熔融拉锥光纤束技术研制了一种输出光纤为50/400μm(NA=0.12)的高光束质量3×1光纤功率合束器;最后,利用三台3 kW的光纤激光器对其进行了测试,在总输入功率为8.95 kW的情况下,合束后输出功率为8.62 kW,整体传输效率大于96%,光束质量M^(2)=4.035。

光纤放大器放大自发辐射特性与高温易损点位置

在高功率光纤放大器实验中,时常发现增益光纤抽运注入熔接点后10—50 cm处容易发生光纤烧毁现象.为了对该现象进行理论预测,基于光纤激光器速率方程模型和增益光纤的热传导模型,从种子功率、抽运功率和抽运吸收三个方面对掺镱双包层光纤放大器中的放大自发辐射(ASE)和温度特性进行研究.结果表明,在放大倍率较高、ASE较为严重等情况下,光纤放大器中的最高温度点一般不在抽运注入的熔接点处,而在距离熔接点10—50 cm处,与实验中发现光纤烧毁的位置基本符合.从光纤放大器的ASE抑制、最高温度点温度控制角度出发,对光纤放大器在种子功率、抽运功率、抽运吸收、放大倍率和抽运波长等方面的设计给出了指导性的建议.

相位调制信号对窄线宽光纤放大器线宽特性和受激布里渊散射阈值的影响

高功率窄线宽光纤放大器的输出功率主要受限于受激布里渊散射(SBS)效应,通过相位调制进行线宽展宽可以有效抑制SBS效应.基于窄线宽光纤放大器中的SBS动力学模型,研究了正弦信号、白噪声信号和伪随机编码信号(PRBS)对窄线宽光纤放大器光谱特性与SBS阈值的影响.研究发现,采用不同信号进行相位调制时,调制频率和调制深度等参数对调制后激光光谱的谱线间隔、谱线数目与光谱平整度的影响存在较大差异,进而影响放大器的线宽特性和SBS阈值.通过对比分析,给出了调制信号的类型选择和参数优化原则,能够为窄线宽光纤放大器的相位调制系统设计提供参考.

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.

少模光纤放大器中的准静态模式不稳定实验研究

模式不稳定发现于2010年,是影响高功率光纤激光器功率提升的重要限制因素.当前模式不稳定主要有两类,一类是动态模式不稳定,一类是准静态模式不稳定.本文研究了纤芯/内包层直径为25μm/400μm掺镱双包层光纤后向抽运放大器中的模式不稳定效应.通过对功率、光束质量和时域数据的分析,发现在该放大器中出现了准静态模式不稳定的现象,随着抽运功率的增加,放大器输出光束质量逐步退化,而时域上没有发现明显的动态模式不稳定特性.实验上对不同种子功率下放大器的输出特性进行研究,结果表明,通过提高种子激光功率可以较为有效地提高模式不稳定阈值,在种子功率为528 W时,当输出功率大于3000 W,输出激光效率没有明显下降.

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 k W,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。

高功率掺镱光纤激光振荡器研究进展

与采用主振荡功率放大结构的光纤激光器相比,光纤激光振荡器具有结构紧凑、成本低廉、抗反射回光能力强、稳定性好等优点。随着光纤器件和工艺的发展,全光纤激光振荡器实现了5kW近衍射极限输出。围绕掺镱光纤激光振荡器,详细介绍了空间结构振荡器和全光纤结构振荡器的研究进展及其面临的问题。根据高功率光纤激光振荡器的主要限制因素非线性效应和模式不稳定,从特殊设计增益光纤和振荡器全局优化设计两方面,初步探讨了进一步提升高功率光纤振荡器功率的技术途径,以期为实现万瓦量级单模光纤激光振荡器提供参考。

高功率GTWave光纤激光器研究进展

高功率GTWave光纤激光器是目前光纤激光器研究的一个热点。介绍了GTWave光纤的结构,并回顾了国内外高功率GTWave光纤激光器的研究成果,可以看出,国内外GTWave光纤激光器的发展极其迅猛,其功率扩展能力非常强、结构设计非常灵活,输出功率远高于其他光纤激光器;同时,对比分析了高功率GTWave光纤激光器的特点和优势,并对今后的研究进行了展望。

随机光纤激光同带抽运功率放大实现3 kW近衍射极限输出

随机光纤激光器利用无源光纤中微弱的瑞利散射提供随机分布式反馈并实现激光输出,具有结构简单、时间相干性低和极高时域稳定性,可用作高功率光纤放大系统的种子源。

掺镱全光纤激光振荡器横向模式不稳定与受激拉曼散射的关系

研究了掺镱全光纤激光振荡器中横向模式不稳定效应与受激拉曼散射之间的关系。在纤芯直径为20μm的单端抽运1.5kW级全光纤激光振荡器中,当受激拉曼散射达到一定阈值时,横向模式不稳定效应突然出现,激光器输出功率突然减小,减小的输出功率由包层光滤除器倾泻到谐振腔外。实验发现:受激拉曼散射光谱增强、输出功率减小与包层光滤除器温度上升存在一定的关联;通过缩短光纤长度抑制受激拉曼散射,可以将单端抽运激光振荡器的横向模式不稳定阈值增大到2kW以上。对纤芯直径为25μm的双端抽运激光振荡器进行研究,同样通过抑制受激拉曼散射增大了横向模式不稳定阈值,获得了大于5kW的激光功率输出。实验结果初步验证了在非线性较强的情况下,受激拉曼散射是导致横向模式不稳定的原因,通过抑制受激拉曼散射可以增大横向模式不稳定阈值。

基于国产光纤的多级级联分布式侧面抽运光纤振荡器实现强拉曼抑制的3kW量级功率输出

高功率光纤振荡器因具有结构简单、性能稳定、成本低等优点而备受关注。2017年国防科技大学利用自主研发的分布式侧面耦合包层抽运光纤，实现了多级级联分布式侧面抽运光纤振荡器的3kW量级功率输出，其受激拉曼抑制超过52dB，验证了多级级联分布式抽运方案在拉曼抑制方面的优势。实验结构示意图及实验结果如图1所示，图I（b）插图为分布式侧面耦合包层抽运光纤横截面示意图。

基于国产光纤的多级级联分布式侧面抽运光纤振荡器实现2kW的功率输出

高功率光纤振荡器因性能稳定、便携性好、成本低等优点，受到广泛关注。2016年，国防科学技术大学利用自主研发的分布式侧面耦合包层抽运光纤，实现了多级级联分布式侧面抽运光纤振荡器2kW量级的功率输出，并通过引入末级反向抽运方案，实现了对输出端残余抽运光的良好抑制。实验装置示意图如图1（a）所示。

基于π相移光纤布拉格光栅的窄线宽掺铒光纤激光器

窄线宽掺铒光纤激光器具有线宽窄、噪声低等优点,在光纤通信、光纤传感、相干探测和合成等方面有广泛的应用。利用自行设计并制作的π相移光纤光栅和高反射率光纤布拉格光栅(FBG),搭建了环形腔掺铒光纤激光器,利用π相移光纤光栅的窄带滤波特性实现了1.5μm波段的窄线宽掺铒光纤激光输出。当980nm半导体激光抽运功率为5 W时,激光输出功率为1.006 W,光-光转换效率大于20%,中心波长为1549.45nm,激光线宽为5.32pm。输出光没有残余抽运光,表明继续增加抽运光功率可以进一步提升激光功率。通过优化设计π相移光纤光栅的透射峰带宽、FBG的反射谱和激光腔结构,有望实现高效、高功率的单纵模激光输出。

980nm波段连续光纤激光器的研究进展

980nm波段掺镱光纤激光器在高亮度抽运源和蓝绿光源方面具有广泛的应用前景。首先介绍了980nm波段连续光纤激光器的研究价值、研究难点。然后,介绍了国内外研究机构在980nm波段连续光纤激光器和放大器方面的研究进展和存在的问题。最后对980nm波段连续光纤激光器和放大器未来发展方向进行探讨。

高功率全光纤(2+1)×1侧面抽运合束器的研制

基于拉锥-熔合法研制了一种高功率全光纤(2+1)×1侧面抽运合束器。利用仿真软件建立理论模型,计算了合束器耦合效率,并制备出这种侧面抽运合束器。经测试,该合束器在抽运功率为600 W时,两抽运臂的耦合效率分别为98.2%和96.3%,信号光插入损耗约为0.11dB。利用该合束器搭建了千瓦级光纤激光放大器,双向抽运光功率达到1.8kW时,在1080nm处获得的激光输出功率为1.426kW。