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物理学报 2024年第20期73卷 210-219页

作者：曹涧秋周尚德刘鹏飞黄值河王泽锋司磊陈金宝国防科技大学前沿交叉学科学院长沙410073 国防科技大学南湖之光实验室长沙410073 国防科技大学高能激光技术湖南省重点实验室长沙410073

光纤放大器在辐照环境中具有良好的应用前景,而模式不稳定(transverse mode instability,TMI)效应则是制约光纤放大器功率提升的重要因素.因此,针对辐照效应对于掺镱光纤放大器TMI阈值的影响,开展了理论研究.通过将辐致损耗引入光纤放... 详细信息

光纤放大器在辐照环境中具有良好的应用前景,而模式不稳定(transverse mode instability,TMI)效应则是制约光纤放大器功率提升的重要因素.因此,针对辐照效应对于掺镱光纤放大器TMI阈值的影响,开展了理论研究.通过将辐致损耗引入光纤放大器的TMI理论模型,率先给出了考虑辐照效应的TMI阈值表达式,探讨了TMI阈值随辐射剂量的变化规律,研究表明:辐照效应对于TMI阈值的影响,不仅与光纤的抗辐照性能有关,还与光纤放大器的增益系数有关.增益系数的增大,会减缓TMI阈值随辐射剂量的衰减,但也会导致TMI阈值的整体下降.通过对比辐照效应对于TMI阈值和输出功率的影响,结果发现,TMI阈值随辐致损耗衰减更快.这也使得TMI效应成为辐照条件下光纤放大器输出功率的限制因素.相关研究结果,对于辐射条件下光纤放大器的设计及应用研究具有指导意义.

关键词：光纤放大器辐照效应模式不稳定效应辐致损耗

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辐致损耗对于单频单模掺镱光纤放大器功率提升的影响

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物理学报 2025年

作者：曹涧秋周尚德刘鹏飞黄值河马鹏飞王泽锋司磊陈金宝国防科技大学前沿交叉学科学院国防科技大学南湖之光实验室国防科技大学高能激光技术湖南省重点实验室

在考虑辐致损耗的条件下，提出了单频单模光纤放大器功率极限理论模型，并基于该模型分析了辐致损耗对于单频单模掺镱光纤放大器功率提升的影响。研究结果表明：辐致损耗不仅会导致放大器功率极限的迅速下降，还使得功率极限仅能够在特... 详细信息

在考虑辐致损耗的条件下，提出了单频单模光纤放大器功率极限理论模型，并基于该模型分析了辐致损耗对于单频单模掺镱光纤放大器功率提升的影响。研究结果表明：辐致损耗不仅会导致放大器功率极限的迅速下降，还使得功率极限仅能够在特定光纤直径和光纤长度下实现。通过解析推导功率极限表达式，发现：辐致损耗的影响，与无辐照条件下的光纤最佳长度有关，缩小无辐照条件下的光纤最佳长度可以弱化辐致损耗对于功率极限的影响。研究还表明：针对特定目标功率，辐致损耗的增加，会导致光纤直径和光纤长度的选取范围缩小；不过，泵浦光亮度和吸收系数的提升，有利于拓宽光纤长度和光纤直径的取值范围，对于辐致损耗的影响有一定的抑制效果。本文的理论模型及研究结果对于辐照环境中单频单模光纤放大器的研究及应用具有指导意义。

关键词：光纤放大器辐照效应模式不稳定效应受激布里渊散射

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高功率光纤激光的热光效应和模式不稳定特性研究

高功率光纤激光的热光效应和模式不稳定特性研究

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作者：李学文中国科学院大学

学位级别：硕士

高功率光纤激光具有光束质量好、转换效率高、稳定性优等突出优点，在工业加工、国防军事、科学研究等领域有着广泛而重要的应用，是目前激光技术领域中最为活跃的研究方向之一。近年来，大模场有源光纤制备工艺的成熟和高亮度半导体激... 详细信息

高功率光纤激光具有光束质量好、转换效率高、稳定性优等突出优点，在工业加工、国防军事、科学研究等领域有着广泛而重要的应用，是目前激光技术领域中最为活跃的研究方向之一。近年来，大模场有源光纤制备工艺的成熟和高亮度半导体激光泵浦技术的飞速发展使得光纤激光的输出功率已经达到数千瓦量级。增大纤芯直径能够提高非线性效应和光纤端面损伤阈值，是提升光纤激光输出功率的主流技术途径。但增大纤芯直径将导致纤芯中传输的本征模式数量增加，在高功率强泵浦条件下，受热光效应调制加剧了横模之间的模间耦合，从而引起了模式不稳定效应，这一现象成为引起高功率光纤激光光束质量急剧恶化并限制功率进一步提升的首要瓶颈问题，是当前高功率光纤激光发展中亟待解决的技术难题。本课题就此应用需求为前提，展开相关的理论和实验研究，具有明确的应用目标和实用价值。　　本论文首先对高功率光纤激光器的发展历程以及国内外典型进展进行了简要回顾。针对限制高功率光纤激光功率提升的热效应及热致模式不稳定效应的研究进展进行了概述，给出了国内外相关研究单位的重要成果报道，为本文对热光效应以及热致模式不稳定效应开展理论和实验研究工作提供参考和借鉴。　　基于热致双光束耦合理论对模式不稳定的时间相关的动态模型进行了推导，并利用其简化的静态模型对热致模式耦合进行分析，作为本文表征光纤激光系统模式不稳定阈值特性的工具。针对量子亏损、数值孔径、掺杂半径、热光系数等与热光效应相关参数对模式不稳定阈值特性的影响进行了讨论，特别是对目前研究和报道较少的光纤泵浦吸收系数对热光效应和模式不稳定阈值的影响展开了深入理论分析，并提出了通过制备特殊光纤参数降低热光效应进而缓解模式不稳定效应的技术方案。　　综合考虑大模场光纤制备工艺和理论技术方案的可行性，自主设计并制备了特殊参数的25/400μm大模场有源光纤，对光纤样品参数进行合格性测试后应用于高功率光纤放大系统中。对两款不同泵浦吸收系数光纤样品的模式不稳定阈值特性进行了实验研究，实验结果表明，相同实验条件下高泵浦吸收系数光纤样品在800W激光时即出现明显的热致模式不稳定现象，而低泵浦吸收系数光纤样品的模式不稳定阈值功率则高于1700W。实验结果有效支撑了通过降低光纤泵浦吸收系数减小热光效应对数值孔径的调制进而大幅度提升模式不稳定阈值功率的理论分析结果。在此基础上，改进了光纤制备工艺实现精确控制掺杂元素成分，制备得到了低热光系数、高模式不稳定阈值的有源光纤，并应用于高功率窄线宽激光放大，实现了线宽25GHz，功率2.2kW的单模激光输出。　　此外，针对高功率光纤激光系统预放大部分的优化过程中遇到的受激布里渊散射现象展开了实验研究。通过将单频信号种子与不同注入方向的外部ASE源相结合，模拟了单频光纤放大器中产生的正反向ASE对功率放大过程中的SBS进程的影响。实验结果表明，正向注入的ASE光因对SBS的泵浦作用较弱，对SBS阈值功率未产生明显影响。而作为SBS种子光注入的反向ASE，在放大过程中导致SBS阈值功率显著下降，阈值降低幅度达30％。实验结果对于不同波长的单频信号光放大过程中的受激布里渊散射现象研究具有一定参考价值。

关键词：高功率光纤激光器热光效应模式不稳定效应受激布里渊散射

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激光二极管直接后向泵浦的高光束质量万瓦光纤激光器

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物理学报 2022年第24期71卷 176-183页

作者：文榆钧王鹏奚小明张汉伟黄良金杨欢闫志平杨保来史尘潘志勇王小林王泽锋许晓军国防科技大学前沿交叉学科学院长沙410073 国防科技大学南湖之光实验室长沙410073 脉冲功率激光技术国家重点实验室长沙410073

高功率高光束质量光纤激光器在工业生产中得到了广泛应用,但其受到光纤中非线性效应等现象的制约,进一步功率提升严重受阻.本文基于大模场低数值孔径增益光纤搭建了激光二极管直接泵浦的全光纤激光放大器.通过改变增益光纤的弯曲直径,... 详细信息

高功率高光束质量光纤激光器在工业生产中得到了广泛应用,但其受到光纤中非线性效应等现象的制约,进一步功率提升严重受阻.本文基于大模场低数值孔径增益光纤搭建了激光二极管直接泵浦的全光纤激光放大器.通过改变增益光纤的弯曲直径,有效地提升了动态模式不稳定阈值,实现了最高功率10.53 kW,光光转换效率74.04%,光束质量因子M^(2)~2.88的激光输出.研究表明,在少模光纤激光放大器中,提升输出功率与改善光束质量的方法相互制约.不考虑光束质量时激光器可以较为简单的获得万瓦乃至更高功率输出;但是在提升功率的同时保持光束质量不退化是一件充满挑战且难度极大的工作.

关键词：掺镱光纤激光器模式不稳定效应弯曲直径

来源：评论

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双端输出全光纤振荡器突破8 kW高功率输出

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强激光与粒子束 2023年第8期35卷 23-25页

作者：刘佳琪曾令筏史尘吴函烁王鹏奚小明张汉伟王小林习锋杰国防科技大学前沿交叉学科学院长沙410073 国防科技大学南湖之光实验室长沙410073 国防科技大学高能激光技术湖南省重点实验室长沙410073

双端输出光纤激光振荡器可以通过一个单谐振腔结构实现两路激光输出,能够减少高功率光纤激光系统的体积和成本,在工业领域有着很好的应用前景。基于双端泵浦谐振腔结构,采用稳波长981nm光纤耦合半导体激光器(LD)泵浦纤芯/包层直径为30/... 详细信息

双端输出光纤激光振荡器可以通过一个单谐振腔结构实现两路激光输出,能够减少高功率光纤激光系统的体积和成本,在工业领域有着很好的应用前景。基于双端泵浦谐振腔结构,采用稳波长981nm光纤耦合半导体激光器(LD)泵浦纤芯/包层直径为30/400μm的双包层掺镱光纤,首次实现了总功率大于8 kW的双端输出光纤激光振荡器。在总最高泵浦功率为10.951 kW时,A端输出功率为3769 W,B端输出功率为4400 W,总功率为8169 W,激光器光-光转换效率74.6%,A、B端激光光束质量M2因子分别约2.13和2.36。在最高输出功率时,两端输出激光中均未观察到动态模式不稳定效应(TMI)和受激拉曼散射(SRS),通过进一步增加泵浦功率,有望实现更高功率的激光输出。

关键词：光纤激光器双端输出光纤激光振荡器受激拉曼散射模式不稳定效应光纤盘绕

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变纤芯直径掺镱光纤激光器:现状与趋势

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中国激光 2022年第21期49卷 1-29页

作者：王小林文榆钧张汉伟奚小明史尘杨保来王鹏潘志勇王泽锋许晓军陈金宝国防科技大学前沿交叉学科学院湖南长沙410073 脉冲功率激光技术国家重点实验室湖南长沙410073 高能激光技术湖南省重点实验室湖南长沙410073

为了抑制高功率光纤激光器中的非线性效应,纤芯直径沿着长度方向变化的增益光纤(简称变纤芯直径增益光纤)常被作为激光器的增益介质。变纤芯直径增益光纤主要包括单锥形光纤、纺锤形光纤和马鞍形光纤等,该类光纤同时具有光束质量保持和... 详细信息

为了抑制高功率光纤激光器中的非线性效应,纤芯直径沿着长度方向变化的增益光纤(简称变纤芯直径增益光纤)常被作为激光器的增益介质。变纤芯直径增益光纤主要包括单锥形光纤、纺锤形光纤和马鞍形光纤等,该类光纤同时具有光束质量保持和模式不稳定效应抑制的能力,在高功率光纤激光器中有着广泛的应用前景。近年来,利用单锥形光纤已经实现了峰值功率为97 MW的飞秒脉冲激光,利用纺锤形光纤已经实现了功率为5 kW的连续激光。介绍了变纤芯直径增益光纤的优点和制作方法,对变纤芯掺镱单频/窄线宽光纤激光器、脉冲光纤激光器和高功率连续宽谱光纤激光器的发展现状进行了详细介绍,分析了变纤芯直径掺镱光纤激光器的发展趋势及其支撑万瓦级高功率连续激光输出的可行性。研究结果为高功率光纤激光器的发展提供了参考。

关键词：激光器光纤激光器变纤芯直径光纤非线性效应模式不稳定效应

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5 kW振荡放大一体化高可靠性光纤激光器

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强激光与粒子束 2021年第7期33卷 1-3页

作者：奚小明曾令筏张汉伟王鹏杨保来王小林许晓军国防科技大学前沿交叉学科学院长沙410073 脉冲功率激光技术国家重点实验室长沙410073 高能激光技术湖南省重点实验室长沙410073

振荡放大一体化光纤激光器具有振荡器抗回光能力强和放大器效率高的双重优点,在工业领域有着很好的应用前景。国防科大首次实现了输出功率大于5 kW的振荡放大一体化光纤激光器,光光效率约为80%。重点研究了该激光器在高功率运行时的可... 详细信息

振荡放大一体化光纤激光器具有振荡器抗回光能力强和放大器效率高的双重优点,在工业领域有着很好的应用前景。国防科大首次实现了输出功率大于5 kW的振荡放大一体化光纤激光器,光光效率约为80%。重点研究了该激光器在高功率运行时的可靠性和控制逻辑。首先,类比普通放大器中“不开种子、只开放大”的情况:在振荡部分泵浦源关闭时,瞬间开启放大部分泵浦源;其次,类比普通放大器中“不关放大、只关种子”的情况:在放大部分泵浦源开启时,瞬间关闭振荡部分泵浦。实验结果表明,以上两种极端情况下激光器都可稳定正常工作。首次验证了该激光器在控制逻辑和泵浦源开关顺序方面无特殊要求。

关键词：光纤激光器振荡放大一体化受激拉曼散射模式不稳定效应控制逻辑

来源：评论

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国产纺锤形增益光纤主振荡功率放大器实现5kW输出

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强激光与粒子束 2021年第2期33卷 1-3页

作者：奚小明杨欢曾令筏黄良金叶云张汉伟潘志勇王小林王泽锋周朴许晓军陈金宝国防科技大学前沿交叉学科学院长沙410073 脉冲功率激光技术国家重点实验室长沙410073 高能激光技术湖南省重点实验室长沙410073

设计了纤芯直径小—大—小变化的"纺锤形"增益光纤,利用该光纤可均衡模式不稳定和受激拉曼散射抑制的矛盾,提升光纤激光器的输出功率。基于自研的纺锤形增益光纤搭建了主振荡功率放大器(MOPA),实现了5 kW的功率输出,放大器光... 详细信息

设计了纤芯直径小—大—小变化的"纺锤形"增益光纤,利用该光纤可均衡模式不稳定和受激拉曼散射抑制的矛盾,提升光纤激光器的输出功率。基于自研的纺锤形增益光纤搭建了主振荡功率放大器(MOPA),实现了5 kW的功率输出,放大器光光效率为66.6%,拉曼散射抑制比大于45 dB,M^(2)因子约2.0。通过优化光纤的设计,可以提升激光器的光束质量和效率。

关键词：光纤激光器光纤放大器锥形光纤受激拉曼散射模式不稳定效应

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高功率光纤激光器动态和静态模式不稳定研究

高功率光纤激光器动态和静态模式不稳定研究

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第二十二届全国激光学术会议

作者：王小林张汉伟陶汝茂粟荣涛马鹏飞周朴许晓军国防科学技术大学光电科学与工程学院湖南长沙 410073

模式不稳定效应自2010年被发现以来，被认为是影响高功率光纤激光器功率提升的首要限制因素。从表征特性来看，主要有动态和静态两类模式不稳定。动态模式不稳定中，激光功率在基模和高阶模式之间周期性变化，影响输出功率的稳定性，是... 详细信息

模式不稳定效应自2010年被发现以来，被认为是影响高功率光纤激光器功率提升的首要限制因素。从表征特性来看，主要有动态和静态两类模式不稳定。动态模式不稳定中，激光功率在基模和高阶模式之间周期性变化，影响输出功率的稳定性，是目前研究较多的一类模式不稳定。静态模式不稳定中，激光功率只会从基模单向转移到高阶模式，导致输入光束质量恶化。

关键词：光纤激光器模式不稳定效应保偏窄线宽光纤放大器保偏飞秒光纤放大器

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光纤激光相干合成研究进展

光纤激光相干合成研究进展

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第二十一届全国激光学术会议

作者：刘泽金周朴王小林陶汝茂马鹏飞于海龙国防科技大学

梳理了近年来国内外光纤激光相干合成领域的最新研究内容,概括出研究重点聚焦在光束质量提升、研究对象侧重于(超)短脉冲相干合成、研究难点表现在模式不稳定效应物理机制的阐释及其抑制等三个方面的最新动态.报道了课题组在上述三个方... 详细信息

梳理了近年来国内外光纤激光相干合成领域的最新研究内容,概括出研究重点聚焦在光束质量提升、研究对象侧重于(超)短脉冲相干合成、研究难点表现在模式不稳定效应物理机制的阐释及其抑制等三个方面的最新动态.报道了课题组在上述三个方面的最新研究成果：(1)采用相干偏振合成的方式提高光束质量，实现了4路线偏振激光相干合成，输出功率大于700瓦，光束质量优于1.3倍衍射极限：实现了单路线偏、窄线宽光纤放大器1.2千瓦功率输出，线宽窄于2GHz，光束质量优于1.2倍衍射极限，可用于相干偏振合成。(2)实现了4路皮秒脉冲光纤激光和2路宽谱（短脉冲）激光相干合成。(3)建立了模式不稳定效应的物理模型，可用于分析不同因素对模式不稳定效应产生阂值的影响：在实验上观测并深入分析了模式不稳定效应产生时激光的时域、频域特征。

关键词：光纤激光相干合成光束质量短脉冲模式不稳定效应物理机制

来源：评论

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