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
光纤光栅（FBG）在高功率光纤振荡器中发挥着重要作用，既可以作为谐振腔腔镜，又可以抑制受激拉曼散射（SRS）效应。使用飞秒激光在芯径为30 μm的大模场双包层光纤（LMA-DCF）上刻写了波长为1080 nm的FBG对以及波长为1135 nm的啁啾倾斜光纤光栅（CTFBG），利用FBG对搭建了全光纤振荡器，并使用CTFBG抑制了SRS，实现了9 kW激光功率输出，斜率效率为83.4%。研究结果有利于推动高功率FBG的研制和高功率光纤振荡器的发展。
光纤光学 飞秒激光 光纤振荡器 高功率激光器 受激拉曼散射 光纤光栅
1 中国地质大学（武汉）珠宝学院，湖北 武汉 430074
2 中国地质大学（武汉）先进制造研究所，湖北 武汉 430074
3 湖北三江航天江北机械工程有限公司，湖北 孝感 432000
4 中国地质大学（武汉）机械与电子信息学院，湖北 武汉 430074
5 鑫精合激光科技有限公司，北京 102200
铜铬锆（CuCrZr）作为沉淀硬化合金，以其良好的耐热性、耐腐蚀性以及优异的力学、电学和热学性能而被广泛应用于航空航天、核能化工等领域。然而，CuCrZr是当前激光增材制造（LAM）难成形材料之一，相关研究报道还很有限。本文综述了近年来激光粉末床熔融（L-PBF）制备CuCrZr合金的研究进展，重点探究了绿激光与近红外激光对成形质量的影响规律，分析了热处理及构建方向与微观组织、力学性能的内在联系，并研究了热处理对于电学、热学性能的强化机制。近红外激光制备样品的致密度波动范围大（95.5%~99.9%），绿激光制备样品的整体致密度较低但波动范围较小（96.5%~98.5%），工艺参数仍有优化空间。合金的微观组织和综合性能都存在各向异性，即沿水平方向的晶粒细小，沿垂直方向的晶粒为柱状晶粒。固溶处理会使合金的熔池边界消失并改变晶粒形态，时效处理导致合金产生沉淀并改变晶粒取向。500 ℃左右处理1~2 h的直接时效处理对力学性能的提升最大，时效处理通过降低位错密度、减少热残余应力和促进沉淀物的形成，显著增强了合金的力学性能。对电学、热学性能提升最大的热处理条件为950~1000 ℃的固溶退火处理1 h+500 ℃左右的时效硬化处理1~3 h，这是因为固溶退火+时效硬化处理降低了位错密度和残余应力，并产生了有益的沉淀物。本文总结了L-PBF制备CuCrZr合金的成形行为、微观组织和综合性能的研究进展，并对其研究前景和发展方向进行了展望。
激光增材制造 铜铬锆合金 成形行为 微观组织 综合性能
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
啁啾倾斜光纤布拉格光栅（CTFBG）是高功率光纤激光系统中抑制受激拉曼散射（SRS）的关键器件。使用飞秒激光在50 μm/400 μm光纤上研制了可承受10 kW激光功率的CTFBG。CTFBG插入损耗为0.03 dB，制冷后的功率温升系数仅为2.4 ℃/kW，验证了飞秒激光刻写的CTFBG具有优异的功率承受能力。
光纤光学 飞秒激光 高功率光纤激光器 受激拉曼散射 光纤布拉格光栅 啁啾倾斜光纤布拉格光栅
1 1.西北工业大学 材料学院, 西安 710072
2 2.陕西省石墨烯新型炭材料及应用工程实验室, 西安 710072
环氧树脂基泡沫炭是一种具有三维海绵状结构的新型炭材料, 独特的网状泡孔结构使其具有高孔隙率、耐高温、耐腐蚀、导电/导热可调等性能, 应用前景广阔。但是环氧树脂的石墨化困难, 本工作以石墨烯为异质成核改性剂, 用以提高环氧树脂泡沫炭的石墨化程度、电导率和力学性能。采用简单的发泡、炭化和石墨化工艺制备了石墨烯改性环氧树脂泡沫炭。石墨烯异质成核剂诱导了泡沫炭碳微晶生长, 增加了碳晶格条纹长度, 减少了碳晶体混乱。研究表明, 不含或含质量分数0.05%石墨烯改性泡沫炭的晶面间距、晶粒堆垛高度、石墨化度分别为0.343 nm、3.35 nm、8.42%和0.342 nm、10.22 nm、23.2%。此外, 石墨烯作为晶胞成核位点会影响泡沫炭的平均晶胞尺寸, 随着石墨烯含量的增加, 泡沫炭平均晶胞尺寸先减小后增大。同时, 石墨烯改性增大了泡沫炭的有序结构, 提高了其导电性, 当石墨烯的质量分数为0.05%时, 泡沫炭电导率为53.8 S·m-1。相对于纯泡沫炭(压缩应变为0.0096%), 质量分数0.01%、0.02%、0.05%和0.10%的石墨烯改性泡沫炭压缩应变增加至0.208%、0.228%、0.187%和0.1146%。本研究为碳纳米材料/泡沫炭制备、碳结构和性能调控提供了新的研究方法。
泡沫炭 石墨烯 异质成核 石墨化 机械性能 carbon foam graphene heterogeneous nucleation graphitization mechanical property
1 西安空间无线电技术研究所，陕西西安7000
2 西安电子科技大学 机电工程学院，陕西西安710071
针对传统固面可展开天线中旁瓣绕双转轴独立折展造成的系统同步性差及可靠性低的问题，设计并分析了一种单自由度折展方案。首先提出了基于粒子群算法的收拢态位姿确定算法，结合等效轴角定理给出了单自由度旋转展开的参数确定方案；以相邻旁瓣运动轨迹为基础，结合变密度拓扑优化方法给出了反射器背架设计方案，分析结果表明本文所设计背架可使反射器热变形降低62.5%，基频提高了4倍，充分证明了背架设计的有效性。以一款10 m口径固面可展开天线为对象进行了折展机构设计，并分析了折展过程中运动学、动力学参数变化规律。基于螺旋理论对折展机构进行分析，得出了多种消极运动副引入方案，并最终选取RSPRR进行机构非过约束设计。分析结果表明，本文所述的固面可展开天线可以完成收拢态与展开态之间的切换，收纳率达到了0.384，折展过程平稳可靠，验证了该设计方案的可行性。同时，相关研究方法及结论可以为固面可展开天线的设计提供技术参考。
固面可展开天线 单自由度折展 背架设计 消极运动副 solid surface deployable antenna uniaxial deployment frame design negative kinematic pair 光学 精密工程
2023, 31(22): 3305
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
啁啾倾斜光纤光栅（CTFBG）是高功率光纤激光中抑制受激拉曼散射（SRS）的核心器件，极具应用价值与研究前景。然而，传统紫外激光制备的CTFBG难以承受较高功率，限制了其发展与应用。本文基于飞秒激光的相位掩模板法在20/400 μm大模场双包层光纤中分别刻写了光纤布拉格光栅（FBG）对与CTFBG。使用FBG对搭建了高功率光纤振荡器，并将CTFBG置于振荡器的谐振腔内抑制SRS。结果表明，CTFBG最大承受功率为2.8 kW，最大拉曼抑制比为~13 dB，插损小于2%，功率温升系数为7.8 ℃/kW。本文验证了飞秒激光刻写的CTFBG具有优异的功率承受能力，将进一步推动高功率光纤激光技术的发展。
飞秒激光 光纤激光器 受激拉曼散射 光纤光栅 啁啾倾斜光纤光栅 光学学报
2023, 43(17): 1714007
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
啁啾倾斜光纤光栅（CTFBG）是高功率光纤激光系统中拉曼光滤除的重要器件。采用飞秒激光级联刻写的方式，在大模场面积双包层光纤（LMA-DCF）中制备了一个带宽约为15.2 nm、滤除深度大于20 dB的CTFBG，将其置于1080 nm高功率光纤激光长距离传输系统的输出端，实现了光谱无拉曼输出，明显提高了输出激光纯度，插入损耗约为0.3 dB，光束质量无明显变化。所提出的利用飞秒激光制备宽带CTFBG的方法可有效滤除光谱中的拉曼光，对CTFBG的研制与应用有重要意义。
光栅 飞秒激光 高功率激光器 受激拉曼散射 光纤光栅 啁啾倾斜光纤光栅 光学学报
2023, 43(10): 1036001
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
啁啾倾斜布拉格光纤光栅（CTFBG）在高功率光纤激光器的受激拉曼散射（SRS）抑制中有重要的应用。利用飞秒激光在纤芯/包层直径为20/400 μm的大模场面积双包层光纤（LMA-DCF）中刻写出不同角度的CTFBG，其最大滤除深度约为15 dB，最大滤除宽度约为8.9 nm。飞秒激光刻写CTFBG可以显著缩短制备周期，对推动CTFBG的研制与发展具有重要意义。
光栅 飞秒激光 光纤光栅 啁啾倾斜布拉格光纤光栅
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 脉冲功率激光技术国家重点实验室，湖南 长沙 410073
报道了全光纤2.15 μm波段光纤气体拉曼激光器。将实芯单模光纤与空芯光子晶体光纤直接熔接制备成全光纤气体腔，并在实芯光纤上刻写长周期光纤光栅，防止菲涅耳反射回光对泵浦源造成损坏。以1971 nm脉冲光纤放大器作为泵浦源，当腔内气压为1.4 GPa时，2.15 μm拉曼光的最大平均功率约为0.87 W，受限于较高的拉曼阈值，光光转换效率只有19%。本研究为实现2.15 μm光纤激光光源提供了一种新的可行的技术方案。
激光器 光纤气体拉曼激光器 空芯光纤 受激拉曼散射
Author Affiliations
Abstract
1 College of Advanced Interdisciplinary Studies, National University of Defense Technology, Changsha 410073, China
2 State Key Laboratory of Pulsed Power Laser Technology, Changsha 410073, China
3 Hunan Provincial Key Laboratory of High Energy Laser Technology, Changsha 410073, China
We fabricate a pair of fiber Bragg gratings (FBGs) by a visible femtosecond laser phase mask scanning technique on passive large-mode-area double-cladding fibers for multi-kilowatt fiber oscillators. The bandwidth of high-reflection (HR) and low-reflection (LR) FBG is and 0.3 nm, respectively. The reflection of the HR-FBG is higher than 99%, and that of the LR-FBG is about 10%. A bidirectional pumped all-fiber oscillator is constructed using this pair of FBGs, a record output power of 5027 W located in the signal core is achieved with a slope efficiency of , and the beam quality factor M2 is measured to be at the maximum power. The FBGs are simply fixed on a water cooling plate without a special package, and the thermal efficiency of the HR-FBG and the LR-FBG is 2.76°C/kW and 1°C/kW, respectively. Our research provides an effective solution for robust high-power all-fiber laser oscillators.
fiber optics fiber lasers fiber Bragg gratings Chinese Optics Letters
2023, 21(2): 021404
