1 中国科学院上海光学精密机械研究所强激光材料重点实验室，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上海市全固态激光器与应用技术重点实验室，上海 201800
4 中国科学院大学杭州高等研究院，浙江 杭州 310024
近年来，窄线宽光纤激光器由于在光束合成、引力波探测等领域的重要应用价值而引起国内外研究人员们的广泛关注。然而，受激布里渊散射（SBS）与模式不稳定（TMI）严重限制了窄线宽光纤激光功率的进一步提升。目前，提升窄线宽光纤激光输出功率的方法主要集中于对光纤激光器系统层面的改进和优化。本文从光纤的材料和结构两个方向简要介绍了近年来用于窄线宽光纤激光器和放大器的掺镱石英玻璃光纤领域取得的相关研究成果，并对窄线宽光纤激光技术的未来发展趋势进行了展望。
光纤材料 掺镱石英玻璃 受激布里渊散射 模式不稳定性 激光与光电子学进展
2022, 59(15): 1516011
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 中国科学院上海光学精密机械研究所强激光材料重点实验室，上海 201800
3 中国科学院大学材料与光电研究中心，北京 100049
中国激光
2022, 49(11): 1116001
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 西北核技术研究所激光与物质相互作用国家重点实验室，陕西 西安 710024
对793 nm、1.6 μm和1.9 μm三种不同泵浦波段下千瓦级掺铥光纤激光器的输出特性开展了数值模拟研究。在1 kW输出功率下，对不同泵浦波段的输出效率和热特性进行了对比分析。结果表明，在793 nm泵浦下，受益于交叉弛豫过程，量子效率可超过100%，但是其整体斜率效率依然不高，导致激光器产热严重，废热与输出功率比达80.8%，光纤端面温度也相对较高。在同带泵浦下，激光器效率得到明显提升，尤其是在1.9 μm同带泵浦下，激光器斜率效率达90%以上，废热也得到显著抑制，使用低掺杂光纤时，增益光纤温度整体在50 ℃以内。对同带泵浦下掺铥光纤激光器的功率提升开展了初步估算和数值模拟，估算表明在同带泵浦下，掺铥光纤激光器的功率提升主要受限于受激布里渊散射、模式不稳定、外包层损伤以及光损伤等四个因素。数值模拟结果表明，同带泵浦下热载显著降低，掺铥光纤激光器的功率提升不会受到模式不稳定的影响，而外包层损伤和受激布里渊散射成为主要的限制因素。对于1.6 μm和1.9 μm同带泵浦，在25 μm芯径尺寸下，激光器最高输出功率可分别达5.9 kW和12.7 kW。
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
基于窄线宽线偏振光纤激光单通倍频方案获得了610 W单模绿光输出,倍频效率达到56.27%,光束质量M2为1.05。这是目前报道的基于单通倍频方案获得数百瓦级连续波绿光激光输出的最高效率,可进一步通过两路绿光偏振合束实现千瓦级高亮度绿光激光输出。
激光光学 倍频 相位匹配 绿光激光 光纤激光 中国激光
2021, 48(13): 1315002
1 上海无线电设备研究所，上海 201109
2 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
横模不稳定效应已经逐渐成为引起高功率光纤激光光束质量急剧恶化并限制其输出功率进一步提升的首要瓶颈问题。基于全光纤化正向泵浦的窄线宽高功率放大平台，对大模场光纤激光器中的横模不稳定效应进行了一系列的探索研究。根据耦合模方程的计算结果，所用大模场光纤25/400 μm中LP01、LP11模之间的非线性耦合强度最大，这也直接诱导了横模不稳定效应的发生。为了抑制LP11模在主放大级的产生和放大，通过弯曲限模这种可操作性强的模式滤波技术，将主放增益光纤的弯曲半径从6 cm缩小至5 cm的过程中，高功率光纤激光系统的横模不稳定阈值从1000 W量级提高到了1600 W量级，而且激光器的其他输出性能几乎没有受到影响。这为构建实际的窄线宽高功率全光纤化的激光系统提供了强有力的实验参照。
光纤激光器 横模不稳定 弯曲限模 非线性耦合系数 fiber laser transverse mode instability bending mode nonlinear coupling coefficient 红外与激光工程
2021, 50(1): 20200028
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 南京先进激光技术研究院, 江苏 南京 210038
介绍了一种用于偏振控制的遗传退火算法(GASA),该算法在遗传算法(GA)的基础上,引入了模拟退火的选择机制,将蒙特卡罗思想引入到了GA中,使算法具有更加强大的搜索能力。通过建立基于GASA算法的光纤激光主动偏振控制系统的数学模型,得到了不同参量情况下的GASA算法的仿真图像,并且分析了其收敛效果。仿真结果表明,在选择输出激光的偏振消光比作为适应度函数,种群数量为90,变异概率为0.7,交叉概率为0.001,温度下降比率为0.99的情况下,系统可以达到最优的控制效果。将GASA算法和随机并行梯度下降算法的仿真图像进行对比,可以看出,GASA算法具有较好的全局搜索能力和跳出局部最优值的能力,可以将其用在光纤激光的主动偏振控制系统中。
激光器 光纤激光器 主动偏振控制 控制算法 光学学报
2020, 40(23): 2314002
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
针对高功率强抽运条件下,热光效应及其引起的模式不稳定效应对高功率大模场光纤功率及亮度提升的限制,理论仿真了有源光纤吸收系数变化对光纤热沉积、热致折射率以及光纤数值孔径的影响,分析表明高吸收系数光纤带来更高热负荷密度,在热光效应调制下加剧光纤数值孔径的增大程度,从而降低光纤激光的模式不稳定阈值。在理论研究基础上设计并制备了两款不同抽运吸收系数光纤样品并展开了高功率模式不稳定实验研究。实验结果证明,吸收系数为1.71 dB/m的光纤样品的模式不稳定阈值激光功率约为800 W,吸收系数为1.20 dB/m的光纤样品在输出激光功率达到1700 W时仍未观测到任何模式的不稳定现象,实验结果验证了降低光纤的抽运吸收系数可提升热致模式不稳定阈值的理论分析。该研究结果为设计研制大模场有源光纤,并获得更高功率光纤激光输出提供了一种新颖有效的技术途径。
光纤激光器 增益光纤 模式不稳定 抽运吸收系数 热光效应 中国激光
2019, 46(10): 1001001
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
光纤激光的主动偏振控制技术,可以在非保偏光纤中输出高消光比的激光。与保偏光纤激光器产生保偏激光相比,这种方法具有工艺简单、价格低廉的特点。本文主要介绍了主动偏振控制技术的基本原理,系统地阐述了近年来光纤激光主动偏振控制技术在国内外的发展情况,归纳了主动偏振控制技术发展的大致趋势。对主动偏振控制和偏振相干合成的锁相算法进行了简单的整理,最后对其发展方向进行了展望。
激光技术 光纤激光器 主动偏振控制 锁相 相干合成 优化算法 激光与光电子学进展
2019, 56(10): 100001
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强激光材料重点实验室, 上海 201800
基于自主研制的均匀掺杂低热光系数25/400 μm掺镱双包层光纤,开展了全光纤高功率窄线宽光纤激光放大实验。激光系统实现了中心波长为1060.3 nm、线宽为25 GHz、最高功率为2.2 kW的单模激光输出,其斜率效率达78%,光束质量因子M2≈1.2,其功率是目前报道的基于国产25/400 μm掺镱双包层光纤窄线宽放大器单模激光输出的最高功率。
光纤激光 增益光纤 热光系数 单模 窄线宽激光器
1 上海大学机电工程与自动化学院, 上海 200072
2 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
针对高功率光纤激光器在空间等特殊环境下无水冷却的热管理要求, 设计并研制了一种基于相变材料的高功率光纤包层光滤除器。采用正十八烷作为相变材料吸收包层光滤除器的产热, 利用Ansys的Fluent模块仿真分析相变材料的相变过程及200 W下滤除器温度分布特性, 实验采用0.246 kg质量分数为99%的正十八烷对200 W级滤除器进行热管理, 在室温为25.6 ℃、滤除的包层光为206 W的情况下, 该滤除器可稳定、安全工作360 s。实验结果和仿真结果基本吻合。
激光器 高功率光纤激光器 包层光滤除器 相变材料 温度分布
