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LD泵浦拉曼光纤放大器首次实现高亮度激光输出

姚天甫 范晨晨 肖虎 黄良金 冷进勇 周朴

姚天甫, 范晨晨, 肖虎, 黄良金, 冷进勇, 周朴. LD泵浦拉曼光纤放大器首次实现高亮度激光输出[J]. 红外与激光工程, 2022, 51(6): 20220293. doi: 10.3788/IRLA20220293
引用本文: 姚天甫, 范晨晨, 肖虎, 黄良金, 冷进勇, 周朴. LD泵浦拉曼光纤放大器首次实现高亮度激光输出[J]. 红外与激光工程, 2022, 51(6): 20220293. doi: 10.3788/IRLA20220293

LD泵浦拉曼光纤放大器首次实现高亮度激光输出

doi: 10.3788/IRLA20220293
详细信息
    作者简介:

    姚天甫,女,副研究员,博士,主要从事拉曼光纤激光技术的研究

  • 中图分类号: TN248

图(1)
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出版历程
  • 收稿日期:  2022-05-10
  • 修回日期:  2022-05-20
  • 录用日期:  2022-06-08
  • 刊出日期:  2022-07-05

LD泵浦拉曼光纤放大器首次实现高亮度激光输出

doi: 10.3788/IRLA20220293
    作者简介:

    姚天甫,女,副研究员,博士,主要从事拉曼光纤激光技术的研究

  • 中图分类号: TN248

English Abstract

  • 拉曼光纤激光器(Raman fiber lasers, RFLs)利用无源光纤中受激拉曼散射(stimulated Raman scattering, SRS)效应产生激光增益。与掺镱光纤激光器(Yb-doped fiber lasers, YDFLs)相比,不仅具有波长选择灵活、量子亏损低、无光子暗化等优势,而且能够提升输出激光亮度,在获得特殊波长高亮度激光方面潜力巨大。此外,半导体激光器(Laser Diode, LD)作为泵浦源,有着电光效率高、系统集成度高等显著优势,将其与RFLs结合将带来“性能倍增”的效果。目前,LD直接泵浦RFLs的最高输出功率为50 W,激光器结构为基于光纤光栅提供反馈的振荡器结构。然而,光纤光栅在高功率运行时的稳定性使得功率提升面临挑战。相比而言,拉曼光纤放大器(Raman Fiber Amplifier, RFA)通过注入种子来引导信号光波长的功率放大,无需光纤光栅提供反馈,在功率提升过程中有利于保持系统稳定性。

    近期,笔者课题组首次开展了LD直接泵浦RFA研究,利用光谱合成技术提升泵浦源亮度,获得了最高功率373 W的拉曼激光输出,该结果为目前公开报道LD直接泵浦拉曼光纤激光的最高功率记录。

    实验采用图1(a)所示的RFA结构。RFA中泵浦和种子由不同波长的LD提供。其中,泵浦源包括波长分别为954、957、960、964 nm的四个LD,种子源为波长为991 nm的单个LD。泵浦LD与种子LD输出激光经准直后通过体光栅光谱合成实现合束,合束后最大输出泵浦功率为544 W,种子功率为113 W。光谱合束后的泵浦与种子光通过聚焦透镜耦合进一段350 m的渐变折射率(graded-index, GRIN)无源光纤,利用GRIN光纤中的拉曼增益对种子功率进行放大。GRIN光纤的纤芯直径为100 μm,数值孔径为0.29。GRIN光纤的输出端接有一个镀膜端帽(1 000~1 200 nm波段增透)降低信号光的端面反馈。RFA输出的信号光、剩余泵浦光功率以及信号光光谱随泵浦功率的变化情况分别如图1 (b)、(c)所示。得益于GRIN光纤中的拉曼增益,信号光功率随着泵浦功率迅速增加。当泵浦功率为544 W时,输出最高信号光功率达到373 W,此时剩余泵浦光为157 W,对应光-光转换效率为67.2%(信号光与吸收泵浦光功率之比)。最高功率下输出信号光光束质量M2因子为3.9。

    下一步将继续对GRIN光纤的背景损耗、折射率分布等参数进行优化,以实现更高的输出功率以及更优的光束质量。

    致 谢: 感谢国家自然科学基金基金(11704409, 62061136013, 12174445)对本文工作的支持;感谢陈子伦副研究员提供光纤端帽,感谢肖亮在实验过程中提供的帮助。

    图  1  (a) LD直接泵浦RFA实验结构示意图;(b) RFA输出信号光以及剩余泵浦光功率随泵浦功率的变化情况(左插图:束腰位置光斑形态,右插图:光束质量测量结果);(c)不同信号光功率下的输出光谱

    Figure 1.  (a) Schematic of experimental setup of LD pumped RFA; (b) RFA output power and residual pump power versus input pump power (left inset: beam profile at focal point, right inset: beam quality parameter M2 measurement result); (c) Output spectrum evolution at different signal laser power levels

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