中国激光, 2016, 43 (11): 1115002, 网络出版: 2016-11-10   

全光纤振荡器实现2.5kW 单模输出

全光纤振荡器实现2.5kW 单模输出
作者单位
国防科学技术大学光电科学与工程学院,湖南 长沙 410073
摘要
高功率光纤激光器在工业加工、材料处理等领域有着诸多应用,得到国内外研究机构的广泛关注。目前,高功率光纤激光器主要有两种结构,一种是直接振荡器结构,一种是主振荡功率放大结构。采用振荡器结构的光纤激光器具有结构简单、稳定性好、成本低廉等优点,是目前中低功率激光器市场使用较多的一类方案。2013年,**科学技术大学基于单端抽运结构实现了输出功率1 kW的全光纤振荡器;2014年,又将该方案的输出功率提高到1.5 kW。2014年,芬兰CoreLase公司推出了2 kW的全光纤振荡器产品,美国相干公司基于空间结构实现了3 kW的光纤振荡器。但是,由于热效应、非线性效应的限制,尚未出现相关输出功率大于2 kW的全光纤振荡器报道。双端抽运方式既能够在一定程度上抑制非线性效应,又能使热分布更加均匀从而降低热效应的影响,因此具有较好的高功率应用潜力。基于双端抽运方式,在全光纤振荡器中成功实现了2.5 kW激光功率输出,其原理结构如图1所示。激光谐振腔由高反射光栅(HRFBG)和低反射光栅(OCFBG)构成。前向抽运源利用一个7×1的抽运合束器(PC)将6个300 W的975 nm 激光二极管(LD)合为一束,并注入到激光谐振腔中;后向抽运合束器为(6+1)×1的抽运/信号合束器(PSC),同样将6个300 W的LD合束并注入到激光谐振腔中。激光器增益介质采用纤芯、内包层直径分别为21,400 μm的大模场掺镱光纤(LMA YDF)。激光谐振腔输出的激光经过包层光滤除(CLS)后,熔接商用的光纤端帽输出。在前后向最大抽运功率为1.94 kW和1.52 kW、总抽运功率为3.46 kW时,振荡器输出功率为2.5 kW,光光转换效率为72%,如图2(a)所示。测量了不同功率光谱,如图2(b)所示,结果表明输出激光中无抽运光和放大自发辐射,与信号相比受激拉曼散射在20 dB以下。实现最高输出功率时,测得的光束质量因子M2约为1.3,并未观察到模式不稳定现象,典型的远场光斑形态如图2(c)所示。在该结构中,如果能够有效抑制受激拉曼散射,适当增加抽运功率,有望获得更高的激光功率输出。
Abstract
高功率光纤激光器在工业加工、材料处理等领域有着诸多应用,得到国内外研究机构的广泛关注。目前,高功率光纤激光器主要有两种结构,一种是直接振荡器结构,一种是主振荡功率放大结构。采用振荡器结构的光纤激光器具有结构简单、稳定性好、成本低廉等优点,是目前中低功率激光器市场使用较多的一类方案。2013年,国防科学技术大学基于单端抽运结构实现了输出功率1 kW的全光纤振荡器;2014年,又将该方案的输出功率提高到1.5 kW。2014年,芬兰CoreLase公司推出了2 kW的全光纤振荡器产品,美国相干公司基于空间结构实现了3 kW的光纤振荡器。但是,由于热效应、非线性效应的限制,尚未出现相关输出功率大于2 kW的全光纤振荡器报道。双端抽运方式既能够在一定程度上抑制非线性效应,又能使热分布更加均匀从而降低热效应的影响,因此具有较好的高功率应用潜力。基于双端抽运方式,在全光纤振荡器中成功实现了2.5 kW激光功率输出,其原理结构如图1所示。激光谐振腔由高反射光栅(HRFBG)和低反射光栅(OCFBG)构成。前向抽运源利用一个7×1的抽运合束器(PC)将6个300 W的975 nm 激光二极管(LD)合为一束,并注入到激光谐振腔中;后向抽运合束器为(6+1)×1的抽运/信号合束器(PSC),同样将6个300 W的LD合束并注入到激光谐振腔中。激光器增益介质采用纤芯、内包层直径分别为21,400 μm的大模场掺镱光纤(LMA YDF)。激光谐振腔输出的激光经过包层光滤除(CLS)后,熔接商用的光纤端帽输出。在前后向最大抽运功率为1.94 kW和1.52 kW、总抽运功率为3.46 kW时,振荡器输出功率为2.5 kW,光光转换效率为72%,如图2(a)所示。测量了不同功率光谱,如图2(b)所示,结果表明输出激光中无抽运光和放大自发辐射,与信号相比受激拉曼散射在20 dB以下。实现最高输出功率时,测得的光束质量因子M2约为1.3,并未观察到模式不稳定现象,典型的远场光斑形态如图2(c)所示。在该结构中,如果能够有效抑制受激拉曼散射,适当增加抽运功率,有望获得更高的激光功率输出。

张汉伟, 王小林, 杨保来, 史尘, 粟荣涛, 马鹏飞, 周朴, 许晓军, 陈金宝, 刘泽金. 全光纤振荡器实现2.5kW 单模输出[J]. 中国激光, 2016, 43(11): 1115002. 张汉伟, 王小林, 杨保来, 史尘, 粟荣涛, 马鹏飞, 周朴, 许晓军, 陈金宝, 刘泽金. 全光纤振荡器实现2.5kW 单模输出[J]. Chinese Journal of Lasers, 2016, 43(11): 1115002.

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