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技術(shù)前沿

國防科技大學(xué)實(shí)現(xiàn)國產(chǎn)紡錘形漸變摻鐿光纖6kW寬譜激光輸出

激光制造網(wǎng) 來源:強(qiáng)激光與粒子束期刊2022-07-15 我要評(píng)論(0 )   

作者單位●楊保來,楊歡,葉云,奚小明,張漢偉,黃良金,王鵬,史塵,王小林,閆志平,潘志勇,王澤鋒,周樸,許曉軍,陳金寶●國防科技大學(xué)前沿交叉學(xué)科學(xué)院,脈沖功...

作者單位

● 楊保來,楊 歡,葉 云,奚小明,張漢偉,黃良金,王 鵬,史 塵, 王小林,閆志平,潘志勇,王澤鋒,周 樸,許曉軍,陳金寶

●  國防科技大學(xué)前沿交叉學(xué)科學(xué)院,脈沖功率激光技術(shù)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,高能激光技術(shù)湖南省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室

研究背景 ·


高功率高光束質(zhì)量光纖激光器在工業(yè)加工和軍事國防等領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用。隨著光纖激光器輸出功率的提升,激光器中的模式不穩(wěn)定效應(yīng)(TMI)和非線性效應(yīng)(NLE)成為主要的限制因素,其中,對(duì)于寬譜激光,非線性效應(yīng)中的受激拉曼散射效應(yīng)(SRS)最為顯著。

為實(shí)現(xiàn)非線性效應(yīng)和模式不穩(wěn)定效應(yīng)同時(shí)有效抑制,新型結(jié)構(gòu)大模場(chǎng)增益光纖成為重要的研究課題。錐形光纖具有沿光纖縱向緩慢變化的模場(chǎng)面積,能夠在保持較好的模式特性的同時(shí),有效提升光纖的非線性效應(yīng)閾值,具有應(yīng)用于高功率光纖激光的較大潛力?!凹忓N形”漸變錐形光纖,能夠較好的匹配合束器、光纖光柵等無源器件,且不顯著降低光纖的TMI閾值,通過合理設(shè)計(jì)激光器結(jié)構(gòu),可實(shí)現(xiàn)高功率高光束質(zhì)量激光輸出。

圖文速覽 ·


課題組采用單位自研的紡錘形漸變摻鐿光纖結(jié)合981 nm波長(zhǎng)泵浦源雙向泵浦方案,實(shí)現(xiàn)了功率大于6 kW的高光束質(zhì)量(M2<2)寬譜激光輸出。激光器的原理結(jié)構(gòu)示意圖如圖1所示,采用主振蕩功率放大(MOPA)結(jié)構(gòu),種子激光為單級(jí)諧振腔光纖激光器,種子功率約為100 W,放大級(jí)采用雙端泵浦結(jié)構(gòu),利用(6+1)×1泵浦/信號(hào)合束器將多組半導(dǎo)體泵浦源(LDs)耦合注入雙包層摻鐿光纖,該摻鐿光纖纖芯和內(nèi)包層為紡錘形漸變結(jié)構(gòu),輸入/輸出端纖芯/內(nèi)包層直徑為25/400 μm,光纖中部區(qū)域纖芯/內(nèi)包層直徑為37.5/600 μm,纖芯數(shù)值孔徑為0.06,紡錘形漸變摻鐿光纖總長(zhǎng)度為30 m,光纖在981 nm泵浦的吸收系數(shù)約為0.8 dB/m,前向/后向泵浦光都能夠被充分吸收。

圖1 雙向泵浦紡錘形摻鐿光纖激光器實(shí)驗(yàn)結(jié)構(gòu)圖

隨泵浦功率增加,激光器的輸出功率和效率曲線如圖2(a)所示,在前向和后向泵浦功率分別為2.42 kW和5.26 kW時(shí),激光器輸出功率達(dá)到最大6.02 kW,斜.率效率約為78.3%。

圖2(a) 不同泵浦功率時(shí)輸出功率和效率

不同輸出功率時(shí)的輸出激光光譜如圖2(b)所示,激光中心波長(zhǎng)為1080 nm,功率提升過程中出現(xiàn)明顯的光譜展寬現(xiàn)象,在最高功率時(shí)輸出激光光譜3 dB帶寬為4.76 nm。

圖2(b) 種子光和放大器輸出激光光譜

使用光束測(cè)量設(shè)備(BeamSquared)測(cè)試最高輸出功率時(shí)的光束質(zhì)量,結(jié)果如圖2(c)所示,xy方向的M2因子分別為1.87和1.85,束腰位置光斑形態(tài)如圖2(c)中插圖所示。

圖2(c) 最高功率時(shí)輸出激光光束質(zhì)量

實(shí)驗(yàn)中監(jiān)測(cè)輸出激光的時(shí)域信號(hào),并未發(fā)現(xiàn)模式不穩(wěn)定效應(yīng)對(duì)應(yīng)的典型時(shí)域信號(hào)特征。由于紡錘形漸變摻鐿光纖存在一定的制作難度,與常規(guī)摻鐿光纖產(chǎn)品相比一致性相對(duì)較差,且與無源器件之間存在一定的匹配性差異,導(dǎo)致放大級(jí)輸出激光光束質(zhì)量存在一定的退化。

未來展望 ·


通過進(jìn)一步改進(jìn)光纖制作工藝、優(yōu)化光纖結(jié)構(gòu)參數(shù)和匹配無源器件等方式,有望實(shí)現(xiàn)更高功率、更好的光束質(zhì)量激光輸出。該研究成果擬發(fā)表在《強(qiáng)激光與粒子束》2022年第8期,doi: 10.11884/HPLPB202234.220222。

致謝 ·


感謝國家自然科學(xué)基金項(xiàng)目(61905282, 62005315)對(duì)本課題的支持!

作者簡(jiǎn)介 ·


● 第一作者:

楊保來,從高功率光纖激光器研究;yangbaolai1989@163.com。

● 通信作者:

張漢偉,從高功率光纖激光技術(shù)研究;zhanghanwei100@163.com;

潘志勇,從特種光纖技術(shù)研究;panzy168@163.com。


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