王鹏 1,2,3孟祥明 1,2,3吴函烁 1,2,3叶云 1,2,3[ ... ]陈金宝 1,2,3,*
1 国防科技大学 前沿交叉学科学院，长沙 410073
2 国防科技大学南湖之光实验室，长沙 410073
3 国防科技大学 高能激光技术湖南省重点实验室，长沙 410073
半导体激光（LD）泵浦的高功率光纤激光器具有效率高、体积小、重量轻、稳定性好等优点，在工业加工等诸多领域都有着广泛的应用。为了提高泵浦光吸收率，传统光纤激光器常用915 nm和976 nm波段的LD作为激光的泵浦源。在该类LD泵浦的光纤激光器中，由于量子亏损和泵浦吸收系数相对较高，光纤激光器的热致模式不稳定（TMI）阈值相对较低。为了提高量子效率和潜在的TMI阈值，提出采用大于1010 nm波段的LD直接泵浦光纤激光器，产生高量子效率激光。搭建了振荡放大一体化的全光纤激光器，采用总泵浦功率为2.56 kW的1010 nm波段LD泵浦，首次获得输出功率2.05 kW、光束质量M2约1.7的激光。后续将通过进一步增大泵浦功率、优化光纤特性以实现更高功率、更优光束质量的光纤激光输出。
光纤激光器 量子亏损 振荡放大一体化 模式不稳定 fiber laser quantum defect oscillating-amplifying integrated laser transverse mode instability 强激光与粒子束
2024, 36(3): 031001
1 国防科技大学前沿交叉学科学院，湖南 长沙 410073
2 国防科技大学南湖之光实验室，湖南 长沙 410073
3 国防科技大学高能激光技术湖南省重点实验室，湖南 长沙 410073
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30/600 μm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。
光纤光学 光纤放大器 反常模式不稳定 光纤弯曲 泵浦波长优化
Li Jiang 1,2,3Jinming Wu 1,2,3Rui Song 1,2,3,*Zilun Chen 1,2,3[ ... ]Jing Hou 1,2,3,*
Author Affiliations
Abstract
1 College of Advanced Interdisciplinary Studies, National University of Defense Technology, Changsha, China
2 Nanhu Laser Laboratory, National University of Defense Technology, Changsha, China
3 Hunan Provincial Key Laboratory of High Energy Laser Technology, National University of Defense Technology, Changsha, China
The random distributed-feedback fiber laser (RFL) is a new approach to obtain a high-power stable supercontinuum (SC) source. To consider both structure simplification and high-power SC output, an innovative structure achieving a kilowatt-level SC output in a single-stage RFL with a half-open cavity is demonstrated in this paper. It consists of a fiber oscillator, a piece of long passive fiber and a broadband coupler, among which the broadband coupler acting as a feedback device is crucial in SC generation. When the system has no feedback, the backward output power is up to 298 W under the pump power of 1185 W. When the feedback is introduced before the pump laser, the backward power loss can be reduced and the pump can be fully utilized, which could promote forward output power and conversion efficiency significantly. Under the maximum pump power of 1847 W, a 1300 W SC with spectrum ranging from 887 to 1920 nm and SC conversion efficiency of 66% is obtained. To the best of our knowledge, it is the simplest structure used for high-power SC generation, and both the generated SC output power and the conversion efficiency are highest in the scheme of the half-opened RFL output SC.
high conversion efficiency high-power supercontinuum random fiber laser single-stage structure High Power Laser Science and Engineering
2023, 11(6): 06000e80
王鹏 1,2,3奚小明 1,2,3孟祥明 1王小林 1,2,3,*[ ... ]陈金宝 1,2,3,**
1 国防科技大学前沿交叉学科学院，湖南 长沙 410073
2 国防科技大学南湖之光实验室，湖南 长沙 410073
3 国防科技大学高能激光技术湖南省重点实验室，湖南 长沙 410073
中国激光
2023, 50(21): 2116001
李凤昌 1王鹏 1,2,3王小林 1,2,3,*奚小明 1,2,3[ ... ]陈金宝 1,2,3,*
1 国防科技大学 前沿交叉学科学院，长沙 410073
2 国防科技大学 南湖之光实验室，长沙 410073
3 国防科技大学 高能激光技术湖南省重点实验室，长沙 410073
当前，光纤激光器工作温度范围一般较窄，如果能够扩展激光器的工作温度范围，则有望在更多的环境和领域得到应用。近期，国防科技大学基于风冷结构的光纤耦合半导体激光器（LD）泵浦的全光纤振荡器方案，在−50～50 ℃超宽温范围内实现了1 kW量级的激光输出。通过优化系统设计，有望进一步提升宽温运行激光器的输出功率。
光纤激光器 光纤振荡器 宽温运行 风冷 fiber laser optical fiber oscillator wide temperature operation air cooling 强激光与粒子束
2023, 35(9): 091013
1 国防科技大学前沿交叉学科学院，湖南 长沙 410073
2 国防科技大学南湖之光实验室，湖南 长沙 410073
3 国防科技大学高能激光技术湖南省重点实验室，湖南 长沙 410073
简要回顾了高功率掺镱光纤激光器的发展历程，指出宽温运行光纤激光器的需求与应用场景。综述已有关于光纤激光器在变温条件下的研究成果，在高功率光纤激光器的发展中，工作温度对光纤激光器造成的影响将进一步显现。介绍了利用现有光纤器件以及传统光纤激光器设计的宽温运行光纤激光器案例。通过系统设计和结构优化，本课题组已成功实现千瓦级的宽温运行光纤激光器，整机运行温度从常温拓展到-30 ℃。进一步的功率提升和温度范围拓展还需要对光纤激光器工作机理、光纤器件温度特性等方面进行深入研究。此外，展望了宽温运行光纤激光器的发展趋势，研究结果为高功率宽温运行光纤激光器的发展提供了参考。
激光光学 光纤放大器 振荡器 宽温 高功率 光学学报
2023, 43(17): 1714003
孟祥明 1杨保来 1,2,3,*奚小明 1,2,3王鹏 1,2,3[ ... ]王小林 1,2,3,**
1 国防科技大学前沿交叉学科学院，湖南 长沙 410073
2 国防科技大学南湖之光实验室，湖南 长沙 410073
3 国防科技大学高能激光技术湖南省重点实验室，湖南 长沙 410073
基于后向泵浦结构搭建了1050 nm光纤激光放大器，将20/400 μm的双包层大模场掺镱光纤作为增益光纤，采用976 nm稳波长半导体激光器作为泵浦源。通过优化增益光纤长度，对短波长光纤放大器中的放大自发辐射效应进行抑制。采取优化种子时序稳定性的方法提升受激拉曼散射效应的阈值，实现了最高3.5 kW的功率输出。在最高输出功率下：输出激光在X方向和Y方向的光束质量因子分别约为1.33和1.25，此时的3 dB带宽为4.07 nm，光光转换效率为86.3%；时域信号稳定，没有出现模式不稳定现象。
激光器 光纤放大器 放大自发辐射 受激拉曼散射 高功率 近单模 光学学报
2023, 43(17): 1714001
姜宗福 1,2,3,*陆瑶 1,**刘文广 1,2,3,***周琼 1,2,3[ ... ]张江彬 1,2,3
1 国防科技大学前沿交叉学科学院，湖南 长沙 410073
2 国防科技大学南湖之光实验室，湖南 长沙 410073
3 国防科技大学高能激光技术湖南省重点实验室，湖南 长沙 410073
光子灯笼是一种将单模光纤和多模光纤的优势特点相结合的新型光子器件，在天文光子学、光纤通信模分复用、光纤激光模式控制等领域具有重要应用。本文主要介绍了光子灯笼的结构与模式演化理论，以及光子灯笼的制备与工艺，并基于光子灯笼的模式自适应控制，介绍了光子灯笼在高功率、大模场增益光纤激光放大器中抑制模式不稳定效应的应用，以及光子灯笼在大模场光纤中产生新型光束（如涡旋光束）的应用。
光纤激光 模式 光子灯笼 自适应光学 光学学报
2023, 43(17): 1700002
强激光与粒子束
2023, 35(8): 081003
1 国防科技大学 前沿交叉学科学院，湖南 长沙 410073
2 国防科技大学 南湖之光实验室，湖南 长沙 410073
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、**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。
光纤激光器 非线性效应 模式不稳定 激光亮度 仿真软件 fiber lasers nonlinear effects mode instability laser brightness simulation software 红外与激光工程
2023, 52(6): 20230242
