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光纤激光共孔径光谱合成实现5 kW高效优质输出

Common aperture spectral beam combination of fiber lasers with 5 kW power high-efficiency and high-quality output

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摘要

采用多层介质膜衍射光栅实现多路高功率光纤激光共孔径光谱合成有望成为光纤激光同时实现高功率、高效率和高光束质量的最具发展潜力的技术途径。搭建了一套基于双光栅色散补偿设计的5 kW共孔径光谱合成系统。采用国产多层介质膜衍射光栅实现了5路kW级窄谱子束激光的高效优质共孔径光谱合成,最大输出功率达5.07 kW,光束质量因子(M2)小于3,合成效率达到91.2%。初步研究表明: 多层介质膜衍射光栅在较高功率水平、较宽光谱范围内均能保持较高衍射效率,是实现高功率光纤激光高效率光谱合成的重要器件; 参与合成的子束自身的光束质量水平和线宽是影响合成输出光束质量的重要因素,光谱合成系统的输出功率主要受限于窄谱子束的输出功率和合成路数,增加窄谱子束的功率或合成路数均可进一步提升系统的输出功率。

Abstract

Common Aperture Spectral Beam Combination (SBC) of multiple high power fiber lasers output into a composite beam via a multi-layer dielectric (MLD) grating is a promising approach for the fiber laser system to scale the output power further while maintaining high efficiency and excellent beam quality simultaneously. A common aperture SBC system with dual-grating dispersion compensation configuration based on five kW-level narrow-linewidth fiber amplifier chains in all-fiber format is set up. A common aperture combing beam is achieved with high efficiency and excellent beam quality in the system by using China-made MLD gratings. The maximum average output power of 5.07 kW of the combined beam and the combination efficiency of 91.2% are obtained. The beam quality factor M2 at a power level of 5 kW is less than 3. The preliminary experimental results have shown that MLD grating, which can maintain high diffraction efficiency in a wide spectrum range under high power level operation, is a perfect element for SBC of high power fiber laser. The results also demonstrate that the beam quality and the linewidth of the individual fiber laser are the key factors affecting the beam quality of the spectral combining beam. Presently, the output power is limited by the amount of the narrow-linewidth fiber amplifier chains and the output power of the individual narrow-linewidth fiber amplifier. So it can be expected that the common aperture SBC system output power can be further scaled.

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补充资料

中图分类号:TN248.1

DOI:10.11884/hplpb201527.040101

所属栏目:研究快报

基金项目:中国工程物理研究院高能激光科学与技术重点实验室课题(HEL2014-03)

收稿日期:2015-03-12

修改稿日期:2015-03-16

网络出版日期:--

作者单位    点击查看

马毅:中国工程物理研究院 应用电子学研究所, 四川 绵阳 621900中国工程物理研究院 高能激光科学与技术重点实验室, 四川 绵阳 621900
颜宏:中国工程物理研究院 应用电子学研究所, 四川 绵阳 621900中国工程物理研究院 高能激光科学与技术重点实验室, 四川 绵阳 621900
田飞:中国工程物理研究院 应用电子学研究所, 四川 绵阳 621900中国工程物理研究院 高能激光科学与技术重点实验室, 四川 绵阳 621900
孙殷宏:中国工程物理研究院 应用电子学研究所, 四川 绵阳 621900中国工程物理研究院 高能激光科学与技术重点实验室, 四川 绵阳 621900
赵磊:中国工程物理研究院 激光聚变研究中心, 四川 绵阳 621900
王树峰:中国工程物理研究院 应用电子学研究所, 四川 绵阳 621900中国工程物理研究院 高能激光科学与技术重点实验室, 四川 绵阳 621900
谢庚承:中国工程物理研究院 应用电子学研究所, 四川 绵阳 621900中国工程物理研究院 高能激光科学与技术重点实验室, 四川 绵阳 621900
李腾龙:中国工程物理研究院 应用电子学研究所, 四川 绵阳 621900中国工程物理研究院 高能激光科学与技术重点实验室, 四川 绵阳 621900
王小军:中国工程物理研究院 高能激光科学与技术重点实验室, 四川 绵阳 621900北京应用物理与计算数学研究所, 北京 100088
梁小宝:中国工程物理研究院 激光聚变研究中心, 四川 绵阳 621900
王岩山:中国工程物理研究院 应用电子学研究所, 四川 绵阳 621900中国工程物理研究院 高能激光科学与技术重点实验室, 四川 绵阳 621900
冉欢欢:中国工程物理研究院 应用电子学研究所, 四川 绵阳 621900
彭万敬:中国工程物理研究院 应用电子学研究所, 四川 绵阳 621900中国工程物理研究院 高能激光科学与技术重点实验室, 四川 绵阳 621900
柯伟伟:中国工程物理研究院 高能激光科学与技术重点实验室, 四川 绵阳 621900北京应用物理与计算数学研究所, 北京 100088
冯昱骏:清华大学 工程物理系, 北京 100084
唐淳:中国工程物理研究院 应用电子学研究所, 四川 绵阳 621900中国工程物理研究院 高能激光科学与技术重点实验室, 四川 绵阳 621900
张凯:中国工程物理研究院 应用电子学研究所, 四川 绵阳 621900中国工程物理研究院 高能激光科学与技术重点实验室, 四川 绵阳 621900
高清松:中国工程物理研究院 应用电子学研究所, 四川 绵阳 621900中国工程物理研究院 高能激光科学与技术重点实验室, 四川 绵阳 621900

联系人作者:马毅(rufinecn@caep.cn)

备注:马毅(1978-),男,硕士,助理研究员,主要从事固体激光和光纤激光技术研究;

【1】Madasamy P, Loftus T, Thomas P, et al. Comparison of spectral beam combining approaches for high power fiber laser systems[C]//Proc of SPIE.2008,695207: 1-10.

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【5】http: //www.lockheedmartin.com/us/news/press-releases/2014/january/140128-mst-lockheed-martin-demonstrates-weapons-grade-high-power-fiber-laser.html.[EB/OL]

引用该论文

Ma Yi,Yan Hong,Tian Fei,Sun Yinhong,Zhao Lei,Wang Shufeng,Xie Gengcheng,Li Tenglong,Wang Xiaojun,Liang Xiaobao,Wang Yanshan,Ran Huanhuan,Peng Wanjing,Ke Weiwei,Feng Yujun,Tang Chun,Zhang Kai,Gao Qingsong. Common aperture spectral beam combination of fiber lasers with 5 kW power high-efficiency and high-quality output[J]. High Power Laser and Particle Beams, 2015, 27(4): 040101

马毅,颜宏,田飞,孙殷宏,赵磊,王树峰,谢庚承,李腾龙,王小军,梁小宝,王岩山,冉欢欢,彭万敬,柯伟伟,冯昱骏,唐淳,张凯,高清松. 光纤激光共孔径光谱合成实现5 kW高效优质输出[J]. 强激光与粒子束, 2015, 27(4): 040101

被引情况

【1】孙殷宏,柯伟伟,冯昱骏,王岩山,彭万敬,马毅,李腾龙,王小军,唐淳,张凯. 1030 nm千瓦级掺镱光纤窄线宽激光放大器. 中国激光, 2016, 43(6): 601003--1

【2】郑 也,杨依枫,赵 翔,公维超,柏 刚,张璟璞,刘 恺,陈晓龙,赵 纯,漆云凤,晋云霞,何 兵,周 军. 高功率光纤激光光谱合成技术的研究进展. 中国激光, 2017, 44(2): 201002--1

【3】马毅,颜宏,孙殷宏,彭万敬,李建民,王树峰,李腾龙,王岩山,唐淳,张凯. 基于双光栅的光纤激光光谱合成关键技术研究进展(特邀). 红外与激光工程, 2018, 47(1): 103002--1

【4】柏刚,杨依枫,晋云霞,何兵,周军. 光谱合成激光光束特性的研究进展. 激光与光电子学进展, 2019, 56(4): 40004--1

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