10 kW高效率1070 nm光纤放大器的理论与实验研究

陈晓龙; 何宇; 徐中巍; 郭晓晨; 叶韧; 刘恺; 杨依枫; 沈辉; 张海波; 于春雷; 何兵; 胡丽丽; 周军

doi:doi:10.3788/CJL202047.1006001

中国激光, 2020, 47 (10): 1006001, 网络出版: 2020-10-09

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Theoretical and Experimental Investigation of a 10-kW High-Efficiency 1070-nm Fiber Amplifier

论文大纲

陈晓龙 ^1,2何宇 ¹徐中巍 ¹郭晓晨 ¹叶韧 ¹刘恺 ¹杨依枫 ¹沈辉 ¹张海波 ¹于春雷 ³何兵 ^1,*胡丽丽 ³周军 ¹

作者单位

¹ 中国科学院上海光学精密机械研究所上海市全固态激光器与应用技术重点实验室, 上海 201800

² 中国科学院大学材料与光电研究中心, 北京 100049

³ 中国科学院上海光学精密机械研究所中科院强激光材料重点实验室, 上海 201800

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摘要

基于掺镱光纤激光放大器理论模型,分析了光纤放大器中掺镱光纤弯曲半径对模式传输损耗的影响以及掺镱光纤长度对系统光-光转换效率的影响。结合实验中采用的掺镱光纤的特点,对掺镱光纤的弯曲半径及光纤长度进行了优化设计。基于主振荡放大结构中,种子光源的输出功率为170 W,光束质量为 M2x=1.10, M2y=1.05;放大器采用双端抽运的方式,使用自研30/600 μm掺镱光纤,最终实现了输出功率为10.14 kW,中心波长为1070.36 nm,3 dB带宽为5.32 nm的全光纤激光输出,光束质量为 M2x=3.12, M2y=3.18。放大级最大光-光转换效率为87.9%,斜率效率为89.2%,输出激光信噪比大于45 dB。

Abstract

Based on the theoretical model of ytterbium (Yb 3+)-doped fiber amplifier, the effect of the bend radius of Yb 3+ fiber on the mode transmission loss and dependence of optical-optical efficiency on the fiber length were analyzed. By employing the characteristics of the Yb 3+ fiber used in the experiment, the bend radius and fiber length were optimized. A master oscillation power amplification configuration was used. This configuration had a seed laser source with 170 W power, beam quality M2x=1.10, M2y=1.05, and a power amplifier with homemade 30/600 μm Yb 3+ fiber as the gain fiber. Dual-end pumping was adopted. We obtained a laser beam with an output power of 10.14 kW, a central wavelength of 1070.36 nm, and a 3 dB bandwidth of 5.32 nm. The beam quality of the output laser was M2x=3.12, M2y=3.18. In the amplification stage, the maximum optical-optical efficiency was 87.9%, and the slope efficiency reached up to 89.2%. The signal-to-noise ratio of the output laser was more than 45 dB.

1 引言

光纤激光器具有转换效率高、光束质量好、热管理方便、结构紧凑等优点,在民用和**领域应用广泛^[1-4]。激光功率的进一步提升受到受激拉曼散射(SRS)和模式不稳定性(MI)的限制^[5-10],故采用大模场光纤、优化光纤放大器参数是提升激光器效率和激光功率的有效技术途径^[11-14]。2009年,美国IPG Photonics公司率先推出10 kW单模全光纤激光器产品YLS-10000-SM^[15]。近年来,随着光纤制备技术的提升,国内也逐渐实现了10 kW级全光纤激光功率输出。2018年,中国工程物理研究院使用半导体激光器(LD)直接抽运30/900 μm光纤和(8+1)型侧面抽运光纤实现了万瓦级全光纤激光输出,放大级斜率效率分别为86.12%和82.5%^[16-17]。2019年,他们基于同带抽运的方式,使用50/400 μm光纤又实现了9.82 kW的激光功率输出,放大级斜率效率为86.8%^[18]。在使用大模场光纤实现激光功率提升的同时,激光系统效率的优化和高阶模式的抑制(以获得激光高光束质量)成为研究热点。

因此,为实现高功率、高效率、高光束质量的国产10 kW级全光纤激光输出,本文基于激光主振荡放大结构,使用自研的30/600 μm掺镱光纤作为放大级增益光纤,通过理论分析掺镱光纤弯曲半径与光纤内模式传输损耗的关系,以及放大器中激光功率增长与光纤长度的关系,优化系统设计参数,实现了输出功率为10.14 kW,中心波长为1070.36 nm,3 dB带宽为5.32 nm的全光纤激光输出。输出激光的光束质量 ${M^{2}}_{x}$ =3.12, ${M^{2}}_{y}$ =3.18,放大级最大光-光转换效率为87.9%,斜率效率高达89.2%,输出激光信噪比大于45 dB,且并没有观察到拉曼效应及模式不稳定的现象,有望通过进一步提升抽运功率、优化放大器参数等方式,实现更高功率、更优光束质量的激光输出。

2 理论分析

2.1 理论模型

对于常用的阶跃折射率光纤,光纤纤芯和包层的折射率差较小,可以认为是“弱导光纤”,所以光纤中的本征模式可以通过弱导近似表示为线偏振(LP)模式。LP_mn模式的弯曲损耗可以表述为^[19-20]

2 α = \frac{π^{1 / 2} \frac{U}{a^{2}} \cdot \exp (- \frac{2 γ^{3} R_{eff}}{3 β_{z}^{2}})}{2 R_{eff}^{1 / 2} (W^{1 / 2} {/ a)}^{3 / 2} V^{2} J_{m - 1} (γa) J_{m + 1} (γa)}, (1)

式中:α表示弯曲损耗;R_eff为等效弯曲半径;a为光纤纤芯半径;光纤归一化频率V值定义为V= $(2 π / λ)$ ·a $\sqrt[]{n_{core}^{2} - n_{clad}^{2}}$ ,n_core和n_clad分别为光纤纤芯和包层折射率;J为修正贝塞尔函数;U= $[{(\frac{2 π}{λ})}^{2} n_{core}^{2} - β_{z}^{2}]$ ·a²和W= $[β_{z}^{2} - {(\frac{2 π}{λ})}^{2} n_{clad}^{2}]$ ·a²分别为归一化横向相位参数和归一化横向衰减参数,β_z为对应模式的传播常数。

在光纤激光振荡器或是放大器中,光纤内激光、抽运等光束功率的变化可以描述为^[21-22]

\pm \frac{d P^{\pm}}{d z} = \{[{(\frac{r_{core}}{r_{clad}})}^{2} σ_{a} n_{0} + {(\frac{r_{core}}{r_{clad}})}^{2} σ_{e} n_{0}] N - {(\frac{r_{core}}{r_{clad}})}^{2} σ_{a} n_{0} - l\} P^{\pm} + {(\frac{r_{core}}{r_{clad}})}^{2} σ_{e} n_{0} \cdot N \cdot n_{se} \cdot h ν \cdot Δ ν, (2)

式中:“+”对应光束的正向传播;“-”对应光束的反向传播;r_core和r_clad分别为光纤的纤芯半径及内包层半径;n₀为Yb掺杂粒子浓度;σ_a和σ_e分别是Yb离子的吸收截面和发射截面;l是光束的背景损耗,包括光纤的弯曲损耗;n_se是自发辐射光子数,通常取值为2;hν·Δν是光束在Δν频谱范围内的光子能量;N是光纤内的反转分布,表示为^[22]

N = \frac{\sum Pλ {(\frac{r_{core}}{r_{clad}})}^{2} σ_{a} n_{0}}{\sum Pλ [{(\frac{r_{core}}{r_{clad}})}^{2} σ_{a} n_{0} + {(\frac{r_{core}}{r_{clad}})}^{2} σ_{e} n_{0}] + \frac{h c \cdot π {r^{2}}_{core} \cdot n_{0}}{τ}}, (3)

其中λ是光束的波长,h是普朗克常数, c是真空光速,τ是Yb离子上能级寿命,通常取0.8 ms,∑(·)是对所有光束的求和。方程(1) 式和(2)式的边界条件包括光束在光纤两侧的反射,对于给定光束,满足^[22]

\{\begin{array}{l} P^{+} (0) = {P^{+}}_{in} + r_{z = 0} P^{-} (0) \\ P^{-} (L) = {P^{-}}_{in} + r_{z = L} P^{+} (L) \end{array}, (4)

式中: ${P^{+}}_{in}$ 是正向注入功率; ${P^{-}}_{in}$ 是反向注入功率;r_z₌₀和r_z₌_L是光纤两侧对特定光束的反射率,通常用于表述振荡腔对激光的反射;L是光纤长度。

2.2 数值计算

对掺镱光纤激光器的模拟,包括对放大过程中不同掺镱光纤(YDF)的弯曲半径下模式的损耗以及放大器在双端抽运情况下激光功率的增长,即对上述方程的求解。以种子源一级放大的主振荡功率放大(MOPA)结构为例,掺镱光纤为30/600 μm,数值孔径(NA)为0.063,求解方程(1)式,计算得到不同弯曲半径时30/600 μm光纤各模式损耗如图1所示,为了保证最终输出激光光束质量,降低输出激光高阶模占比,结合30/600 μm光纤的弯曲能力,选取弯曲半径7.5 cm作为后续计算及实验的掺镱光纤弯曲半径。

图 1. 30/600 μm掺镱光纤模式弯曲损耗随弯曲半径的变化关系

Fig. 1. Mode bend loss dependent on the bend radius of the 30/600 μm Yb-doped fiber

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联合求解方程(2)~(4)式,计算光纤放大器掺镱光纤不同长度下输出激光功率增长情况。其中,种子源注入功率为160 W,中心波长取1070 nm;放大器抽运波长取976 nm,双端抽运功率各5.7 kW,增益光纤吸收系数为1.2 dB/m@976 nm。当光纤长度取值范围选择15~20 m,计算结果如图2(a)所示,特别在掺镱光纤长度为18.2~20.4 m的区间内,计算得到的激光输出总功率大于10275.5 W,抽运-激光转换效率大于88%,且当光纤长度为19.2 m时,最高转换效率为88.77%,激光功率可达10279.4 W。

图 2. 掺镱光纤的输出激光功率变化图。(a)放大器输出激光功率随掺镱光纤长度的变化;(b)掺镱光纤长度为19.2 m时光纤内双端抽运功率和激光功率沿光纤长度方向的变化趋势

Fig. 2. Ytterbium doped fiber output laser power. (a) Relationship between the output laser power and the Yb³⁺ doped fiber length; (b) variation of the dual-end pump power and the output laser power along the fiber when the Yb³⁺ doped fiber length is 19.2 m

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通过以上计算结果分析可知,1070 nm波长的MOPA结构,可以通过优化选取放大器掺镱光纤长度和弯曲半径的方法来提高放大器的抽运光-激光转换效率,并保持最终激光以少模的形式输出,降低了30/600 μm大模场光纤的输出光束质量的劣化程度。

3 实验结果分析与讨论

10 kW全光纤MOPA激光器实验结构如图3所示,图中LD为激光二级管,HR-FBG为高反光栅,LR-FBG为低反光栅,CLS为包层光剥离器,DC-YDF为双包层掺镱光纤,MFA为模场适配器。

图 3. 激光系统实验装置示意图

Fig. 3. Experimental setup of the laser system

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3.1 高光束质量种子源

种子光源为振荡器结构。振荡器采用正向抽运方式,使用的抽运光源的中心波长约为915 nm,光纤光栅(FBG)的中心波长为1070 nm,高反光栅反射率为99.5%,3 dB带宽约为3 nm,低反光栅反射率为10%,3 dB带宽约为1.2 nm,增益光纤使用自研20/400 μm掺镱光纤,吸收系数为0.4 dB/m@915 nm,数值孔径为0.062,长度为32 m,腔内光纤长度的增加可提升激光输出纵模的数量,同时选用大于1 nm的宽带光栅,有助于实现种子光源输出光谱宽度的增加,从而提升了放大过程中的拉曼效应的阈值^[23]。当抽运功率为253 W时,种子源输出激光功率为178 W,3 dB光谱宽度为2.1 nm,输出激光光束质量 ${M^{2}}_{x}$ =1.10, ${M^{2}}_{y}$ =1.05,如图4所示。

图 4. 种子光源输出光谱及光束质量。(a)激光光谱;(b)光束质量

Fig. 4. Spectrum and beam quality of the seed laser. (a) Spectrum; (b) beam quality

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3.2 高效率放大器

种子光源经过一个20~25 μm的模场适配器进入放大器。放大器使用双端抽运结构,前后向抽运各6组光源,每组功率约为950 W,抽运光波长约为976 nm,输出尾纤为300/330 μm,通过(6+1)×1合束器耦合后注入掺镱光纤中,其中前向(6+1)×1合束器信号纤的纤芯直径为25 μm、数值孔径为0.065,反向合束器信号纤纤芯为50 μm、数值孔径为0.12,前后向合束器输出尾纤芯径均为30/600 μm,纤芯数值孔径为0.065,注入功率分别为5679 W和5680 W。放大采用增益光纤为自研30/600 μm掺镱光纤,纤芯数值孔径为0.063,吸收系数为1.2 dB/m@976 nm,系统最终经过包层光剥离器剥离包层光后,使用光纤端帽输出,系统实际使用的掺镱光纤长度为19.5 m。结合理论分析及30/600 μm实际缠绕的能力,实验对比分析了在开启正反向各一组泵浦的状态下,掺杂光纤弯曲半径分别为5,6,7.5,9,10 cm时,放大器的输出功率及输出激光光束质量。如图5所示,随着掺杂光纤弯曲半径的增加,高阶横模弯曲损耗减小,在相同泵浦条件下,光-光转换效率提升,但输出激光光束质量M²明显降低。综合考虑,最终选择掺镱光纤弯曲半径为7.5 cm。

图 5. 不同掺杂光纤弯曲半径对应的输出激光功率及光束质量

Fig. 5. Output laser power and beam quality dependent on the bend radius of the Yb-doped fiber

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系统输出功率结果如图6所示,随着抽运功率的增长,激光功率增长线性度较好,在放大级吸收抽运光功率达到11359 W时最终激光输出功率达到10140 W,光-光效率达到87.8%,放大级斜率效率为89.2%。激光功率增长过程中光谱变化如图7(a)所示,整个过程没有观察到明显的SRS及MI现象,满功率输出激光的光束质量 ${M^{2}}_{x}$ =3.12, ${M^{2}}_{y}$ =3.18。受限于可用的抽运功率,激光输出功率有望进一步提升。

图 6. 系统输出激光功率和斜率效率

Fig. 6. Laser power and slope efficiency measured

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图 7. 放大器输出激光光谱及光束质量。(a)激光光谱;(b)激光光束质量

Fig. 7. Spectra and beam quality of the output signal laser. (a) Spectra; (b) beam quality

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放大器使用温度为20 ℃的循环水冷方式进行冷却。在满功率运行状态下,使用Flir T620热像仪测量放大器各主要位置的温度,最高的温度熔点为放大反向合束器输出尾纤与30/600 μm掺杂光纤的熔点,结果为35.2 ℃,如图8(a)中Ar2所示,掺杂光纤运行温度为35 ℃,如图8(a)中Ar1所示。放大器输出包层光剥离器封装壳体最高温度为50 ℃,如图8(b)中Ar1所示。放大器正向合束器最高温度为35.7 ℃,如图8(c)中Ar2,反向合束器最高温度为96.1 ℃,位于合束器输出尾纤末端,如图8(c)中Ar1所示。系统在满功率状态下运行90 s,功率起伏小于0.3%,如图9所示。

图 8. 放大器满功率状态下主要位置的温度。(a)放大器反向合束器与掺杂光纤熔点及掺杂光纤温度;(b)放大器输出包层光剥离器温度;(c)放大器正反向合束器温度

Fig. 8. Temperature measurements of the amplifier compositions when operating at the full laser power. (a) Yb-doped fiber temperature and temperature of the splicing point between the backward combiner and the doped fiber; (b) temperature of the output cladding light stripper; (c) temperature of the forward and backward combiners

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图 9. 90 s内放大器输出功率测试记录

Fig. 9. Measurement of the power stability during 90 s

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3.3 讨论

通过对以上放大器输出功率曲线、光谱及光束质量的测试分析,推断可知若进一步提高抽运激光功率,放大器系统仍然可以在保证较高光-光转换效率和信噪比的前提下实现更高激光功率的输出。同时,在实验中发现,受到系统熔接质量的影响,种子激光注入放大系统的熔接质量较差,导致经过MFA后光束质量劣化明显,进而对放大光束质量劣化的抑制产生影响,需要通过降低放大级掺镱光纤弯曲半径来增大大模场光纤内高阶模的损耗,但这一操作会对激光器的稳定性产生不良影响。因此,对于使用大模场掺镱光纤的放大器,系统搭建过程中熔接细节等的处理尤为重要。

4 结论

基于主振荡放大结构,采用本所自研的30/600 μm掺镱光纤作为放大级增益光纤,在理论计算分析的基础上通过对实验中掺镱光纤的弯曲半径及光纤长度进行优化设计,实现了高功率、高效率、高光束质量的国产10 kW级1070 nm全光纤激光输出。输出激光的光束质量 ${M^{2}}_{x}$ =3.12, ${M^{2}}_{y}$ =3.18,放大级最大光-光转换效率为87.9%,斜率效率高达89.2%,输出激光信噪比大于45 dB。且通过对放大器输出功率曲线、光谱及光束质量的测试分析,有望通过进一步提升抽运激光功率、优化熔接质量等方式,在保证较高光-光转换效率和信噪比的前提下实现更高功率、更优光束质量的激光输出。

参考文献

[1] Richardson D J, Nilsson J, Clarkson W A. High power fiber lasers: current status and future perspectives (Invited)[J]. Journal of the Optical Society of America B, 2010, 27(11): B63-B92.

[2] Zervas M N. High power ytterbium-doped fiber lasers: fundamentals and applications[J]. International Journal of Modern Physics B, 2014, 28(12): 1442009.

[3] Zervas M N, Codemard C A. High power fiber lasers: a review[J]. IEEE Journal of Selected Topics in Quantum Electronics, 2014, 20(5): 219-241.

[4] 周军, 王璞, 周扑. “高功率光纤激光技术”专题前言[J]. 中国激光, 2017, 44(2): 0201000.

Zhou J, Wang P, Zhou P. The introduction of “High-power fiber laser technology” special issue[J]. Chinese Journal of Lasers, 2017, 44(2): 0201000.

[5] Agrawal GP. Nonlinear fiber optics[M]. New York: Academic Press, 2001.

[6] Dawson J W, Messerly M J, Beach R J, et al. Analysis of the scalability of diffraction-limited fiber lasers and amplifiers to high average power[J]. Optics Express, 2008, 16(17): 13240-13266.

[7] Smith R G. Optical power handling capacity of low loss optical fibers as determined by stimulated Raman and Brillouin scattering[J]. Applied Optics, 1972, 11(11): 2489-2494.

[8] Haarlammert N, Sattler B, Liem A, et al. Optimizing mode instability in low-NA fibers by passive strategies[J]. Optics Letters, 2015, 40(10): 2317-2320.

[9] Jauregui C, Eidam T, Otto H J, et al. Physical origin of mode instabilities in high-power fiber laser systems[J]. Optics Express, 2012, 20(12): 12912-12925.

[10] Tao RM, Ma PF, Wang XL, et al. ( 2015-03-30)[2020-03-28]. https:∥arxiv.org/abs/1503. 08132.

[11] Zhu J J, Zhou P, Ma Y X, et al. Power scaling analysis of tandem-pumped Yb-doped fiber lasers and amplifiers[J]. Optics Express, 2011, 19(19): 18645-18654.

[12] Jauregui C, Limpert J, Tünnermann A. High-power fibre lasers[J]. Nature Photonics, 2013, 7(11): 861-867.

[13] Eidam T, Wirth C, Jauregui C, et al. Experimental observations of the threshold-like onset of mode instabilities in high power fiber amplifiers[J]. Optics Express, 2011, 19(14): 13218-13224.

[14] 周朴, 黄良金, 冷进勇, 等. 高功率双包层光纤激光器: 30周年的发展历程[J]. 中国科学技术科学, 2020, 50(2): 123-135.

Zhou P, Huang L J, Leng J Y, et al. High-power double-cladding fiber laser: 30th anniversary of the development process[J]. SCIENTIA SINICA Technologica., 2020, 50(2): 123-135.

[15] StilesE. New developments in IPG fiber laser technology[C]∥Proceedings of the 5th International Workshop on Fiber Lasers, September 30-October 1, Dresden, Germany. New York: ACM, 2009: 1- 2.

[16] 林宏奂, 唐选, 李成钰, 等. 全国产单纤激光系统获得10.6 kW激光输出[J]. 中国激光, 2018, 45(3): 0315001.

Lin H H, Tang X, Li C Y, et al. The localization single-fiber laser system obtained 10.6 kW laser output[J]. Chinese Journal of Lasers, 2018, 45(3): 0315001.

[17] 林傲祥, 湛欢, 彭昆, 等. 国产复合功能光纤实现万瓦激光输出[J]. 强激光与粒子束, 2018, 30(6): 060101.

Lin A X, Zhan H, Peng K, et al. 10 kW-level pump-gain integrated functional laser fiber[J]. High Power Laser and Particle Beams, 2018, 30(6): 060101.

[18] 高聪, 代江云, 李峰云, 等. 自研万瓦级同带泵浦掺镱石英玻璃光纤[J]. 中国激光, 2020, 47(3): 0315001.

Gao C, Dai J Y, Li F Y, et al. Homemade 10-kW ytterbium-doped aluminophosphosilicate fiber for tandem pumping[J]. Chinese Journal of Lasers, 2020, 47(3): 0315001.

[19] Marcuse D. Curvature loss formula for optical fibers[J]. Journal of the Optical Society of America, 1976, 66(3): 216-220.

[20] Schermer R T, Cole J H. Improved bend loss formula verified for optical fiber by simulation and experiment[J]. IEEE Journal of Quantum Electronics, 2007, 43(10): 899-909.

[21] Hansen K R, Alkeskjold T T, Broeng J, et al. Thermo-optical effects in high-power Ytterbium-doped fiber amplifiers[J]. Optics Express, 2011, 19(24): 23965-23980.

[22] Gong M L, Yuan Y Y, Li C, et al. Numerical modeling of transverse mode competition in strongly pumped multimode fiber lasers and amplifiers[J]. Optics Express, 2007, 15(6): 3236-3246.

[23] Wang J M, Yan D P, Xiong S S, et al. High power all-fiber amplifier with different seed power injection[J]. Optics Express, 2016, 24(13): 14463-14469.

10 kW全光纤MOPA激光器实验结构如图3所示,图中LD为激光二级管,HR-FBG为高反光栅,LR-FBG为低反光栅,CLS为包层光剥离器,DC-YDF为双包层掺镱光纤,MFA为模场适配器。

陈晓龙, 何宇, 徐中巍, 郭晓晨, 叶韧, 刘恺, 杨依枫, 沈辉, 张海波, 于春雷, 何兵, 胡丽丽, 周军. 10 kW高效率1070 nm光纤放大器的理论与实验研究[J]. 中国激光, 2020, 47(10): 1006001. Chen Xiaolong, He Yu, Xu Zhongwei, Guo Xiaochen, Ye Ren, Liu Kai, Yang Yifeng, Shen Hui, Zhang Haibo, Yu Chunlei, He Bing, Hu Lili, Zhou Jun. Theoretical and Experimental Investigation of a 10-kW High-Efficiency 1070-nm Fiber Amplifier[J]. Chinese Journal of Lasers, 2020, 47(10): 1006001.

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1 引言

2 理论分析

2.1 理论模型

2.2 数值计算

图 1. 30/600 μm掺镱光纤模式弯曲损耗随弯曲半径的变化关系

Fig. 1. Mode bend loss dependent on the bend radius of the 30/600 μm Yb-doped fiber

图 2. 掺镱光纤的输出激光功率变化图。(a)放大器输出激光功率随掺镱光纤长度的变化;(b)掺镱光纤长度为19.2 m时光纤内双端抽运功率和激光功率沿光纤长度方向的变化趋势

Fig. 2. Ytterbium doped fiber output laser power. (a) Relationship between the output laser power and the Yb³⁺ doped fiber length; (b) variation of the dual-end pump power and the output laser power along the fiber when the Yb³⁺ doped fiber length is 19.2 m

3 实验结果分析与讨论

10 kW全光纤MOPA激光器实验结构如图3所示,图中LD为激光二级管,HR-FBG为高反光栅,LR-FBG为低反光栅,CLS为包层光剥离器,DC-YDF为双包层掺镱光纤,MFA为模场适配器。

图 3. 激光系统实验装置示意图

Fig. 3. Experimental setup of the laser system

3.1 高光束质量种子源

图 4. 种子光源输出光谱及光束质量。(a)激光光谱;(b)光束质量

Fig. 4. Spectrum and beam quality of the seed laser. (a) Spectrum; (b) beam quality

3.2 高效率放大器

图 5. 不同掺杂光纤弯曲半径对应的输出激光功率及光束质量

Fig. 5. Output laser power and beam quality dependent on the bend radius of the Yb-doped fiber

图 6. 系统输出激光功率和斜率效率

Fig. 6. Laser power and slope efficiency measured

图 7. 放大器输出激光光谱及光束质量。(a)激光光谱;(b)激光光束质量

Fig. 7. Spectra and beam quality of the output signal laser. (a) Spectra; (b) beam quality

图 8. 放大器满功率状态下主要位置的温度。(a)放大器反向合束器与掺杂光纤熔点及掺杂光纤温度;(b)放大器输出包层光剥离器温度;(c)放大器正反向合束器温度

图 9. 90 s内放大器输出功率测试记录

Fig. 9. Measurement of the power stability during 90 s

3.3 讨论

4 结论

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1 引言

2 理论分析

2.1 理论模型

2.2 数值计算

图 1. 30/600 μm掺镱光纤模式弯曲损耗随弯曲半径的变化关系

Fig. 1. Mode bend loss dependent on the bend radius of the 30/600 μm Yb-doped fiber

图 2. 掺镱光纤的输出激光功率变化图。(a)放大器输出激光功率随掺镱光纤长度的变化;(b)掺镱光纤长度为19.2 m时光纤内双端抽运功率和激光功率沿光纤长度方向的变化趋势

Fig. 2. Ytterbium doped fiber output laser power. (a) Relationship between the output laser power and the Yb3+ doped fiber length; (b) variation of the dual-end pump power and the output laser power along the fiber when the Yb3+ doped fiber length is 19.2 m

3 实验结果分析与讨论

10 kW全光纤MOPA激光器实验结构如图3所示,图中LD为激光二级管,HR-FBG为高反光栅,LR-FBG为低反光栅,CLS为包层光剥离器,DC-YDF为双包层掺镱光纤,MFA为模场适配器。

图 3. 激光系统实验装置示意图

Fig. 3. Experimental setup of the laser system

3.1 高光束质量种子源

图 4. 种子光源输出光谱及光束质量。(a)激光光谱;(b)光束质量

Fig. 4. Spectrum and beam quality of the seed laser. (a) Spectrum; (b) beam quality

3.2 高效率放大器

图 5. 不同掺杂光纤弯曲半径对应的输出激光功率及光束质量

Fig. 5. Output laser power and beam quality dependent on the bend radius of the Yb-doped fiber

图 6. 系统输出激光功率和斜率效率

Fig. 6. Laser power and slope efficiency measured

图 7. 放大器输出激光光谱及光束质量。(a)激光光谱;(b)激光光束质量

Fig. 7. Spectra and beam quality of the output signal laser. (a) Spectra; (b) beam quality

图 8. 放大器满功率状态下主要位置的温度。(a)放大器反向合束器与掺杂光纤熔点及掺杂光纤温度;(b)放大器输出包层光剥离器温度;(c)放大器正反向合束器温度

图 9. 90 s内放大器输出功率测试记录

Fig. 9. Measurement of the power stability during 90 s

3.3 讨论

4 结论

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10 kW高效率1070 nm光纤放大器的理论与实验研究下载： 1084次

Fig. 2. Ytterbium doped fiber output laser power. (a) Relationship between the output laser power and the Yb³⁺ doped fiber length; (b) variation of the dual-end pump power and the output laser power along the fiber when the Yb³⁺ doped fiber length is 19.2 m