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萬瓦級泵浦增益一體化復合功能激光光纖

文章來源:《強激光與粒子束》編輯部   時間:2020-01-05 訪問數:

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作為長距離分布式側面泵浦技術的典型代表,泵浦增益一體化復合功能激光光纖(PIFL-fiber)不僅以傳統激光光纖的稀土離子摻雜纖芯實現增益放大,還通過若干根泵浦光纖從多個泵浦端雙向分別注入kWLD泵浦光,巧妙地解決超大泵浦功率注入的難題。其工作原理是基于倏逝波耦合效應來實現數十米長度的長程側面耦合,避免了集中泵浦注入方式所引起的局部熱點,逐漸成為超高功率光纖激光放大技術的主選技術方案。

中國工程物理研究院激光聚變研究中心科研人員成功制備(8+1)PIFL復合功能激光光纖,以MOPA放大模式實現了最高輸出功率為11.23 kW激光輸出,該簡易光纖激光系統可實現10.45 kW穩定激光輸出。該實驗成果有效證明了長距離分布式側面泵浦技術實現萬瓦級高功率光纖激光輸出的可行性,標志著國產光纖激光材料制備技術水平進入了嶄新的歷史階段。

1  PIFL復合功能激光光纖理論建模與數值計算

(8+1)PIFL復合功能激光光纖含有8根泵浦纖和1根信號增益纖?;谫渴挪詈虾头植际絺让姹闷值幕驹?,利用BPM(光束傳播法)對理想型(8+1)型復合功能光纖進行了模擬計算。如圖1所示,模擬結果發現泵浦光吸收在整個復合功能光纖上吸收非常緩慢,雙向泵浦時整個光纖體吸收很均勻。模擬結果顯示:在注入10 kW級泵浦功率時,涂覆包層溫度最高為50 ,在有機光纖涂覆料的耐受溫度范圍內,理論上確保萬瓦級復合功能光纖激光輸出。

萬瓦級泵浦增益一體化復合功能激光光纖

2  PIFL復合功能光纖制備工藝開發

2014年以來,中國工程物理研究院激光聚變研究中心科研人員基于全自主研制的稀土摻雜光纖預制棒,采用特殊工藝技術成功制備了(1+1)型、(2+1)型和(3+1)型復合功能激光光纖,先后實現了2 kW、5 kW、6 kW的激光輸出,如圖2所示。隨后,科研人員在光纖預制棒制備工藝和激光系統集成考核等方面進行了深入革新并取得了重要進步。20176月,特種光纖材料與制備技術研究團隊將泵浦纖數量從3根提升至8根,首次成功研制了(8+1)PIFL復合功能激光光纖。

萬瓦級泵浦增益一體化復合功能激光光纖

(8+1)PIFL復合功能光纖的制備技術是采用自主研發的多路泵浦纖與單路信號纖的表面物理貼附或側面熔接工藝技術。經過長達一年的反復試驗和科研攻關,我們所制備的復合功能光纖實現了由(3+1)型到(8+1)型的歷史性跨越。如圖3所示,(8+1)型復合功能光纖不但包括1根傳統激光光纖擁有的稀土摻雜纖芯,而且同時含有8根泵浦光纖,是多光纖的組合體,可以實現萬瓦級16路泵浦注入和萬瓦級單路激光放大輸出,是集泵浦注入、增益放大、非線性抑制、熱管理等多功能于一體的復合功能光纖器件。

萬瓦級泵浦增益一體化復合功能激光光纖

3  萬瓦級高功率激光系統集成考核平臺

4(8+1)型復合功能光纖激光測試的裝置示意圖,包括采用自研的超低數值孔徑光纖搭建的高品質激光種子源和(8+1)型復合功能光纖作為MOPA放大級,激光信號經(8+1)型復合功能光纖的信號纖、包層光剝離器以及準直輸出頭后放大輸出。激光測試過程中,信號光種子源功率是92 W,光束質量M21.1,單路泵浦注入能量[email protected] nm,采用正反雙向8路泵浦注入方式,實現了12.56 kW 976 nm-LD總泵浦注入,最終實現了10.45 kW光纖激光輸出,光-光轉換效率為82.5%,如圖5所示。采用正反雙向12泵浦注入方式實現了14.83 kW 976 nm-LD的總泵浦注入,最終實現了11.23 kW的激光輸出,其對應的斜率效率為75.1%,光束質量因子β<2.5,輸出激光中心波長1079.4 nm,3 dB帶寬1.7 nm。

萬瓦級泵浦增益一體化復合功能激光光纖

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