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中科院西安光机所研制出用于多千瓦级激光器的掺杂光纤

摘要:来自中国科学院西安光学精密机械研究所(XIOPM)瞬态光学与光子学国家重点实验室的SHE Shengfei和其同事共同制造了一种具有高激光稳定性的30/600有源光纤,该光纤被称为Yb/Ce-AS@LAS fiber。

  由于掺镱光纤激光器从科研领域到工业加工乃至国防领域的广泛应用,对于具有高稳定性的多千瓦(≥3kW)级光纤激光器越来越迫切。

  过去几十年来,光纤制造技术和其他关键部件取得了令人难以置信的进步,导致连续波光纤激光器的输出功率呈指数级增长。然而,随着输出功率的进一步扩大,非线性效应(nonlinear, NL)、(光暗化photodarkening, PD)和热负荷已被认为是多千瓦级输出功率下激光器长期可靠性的关键限制因素。

  通常,通过掺杂高浓度的Yb3+来缩短活性纤维是减少NL相互作用长度的有效策略。但是高于溶解度阈值的掺杂水平会导致Yb3+团簇甚至相分离,这将大大降低PD电阻。否则的话,扩大效应区域也可以减轻NL效应。遗憾的是,由于大模场(LMA)光纤支持的模式数量增加,模式不稳定性(MI)现象成为阻碍光纤激光器在多kW级稳定运行的主要限制因素。MI会导致光束质量下降以及光纤输出处的光束轮廓波动。

  之前的其他研究团队发现抑制PD引起的热负荷有助于提高掺Yb光纤的MI阈值。也证明了PD对MI的严重影响,他们认为PD是掺Yb光纤(YDF)中的第二热源。因此,除了大模场和足够的Yb3+浓度以外,制造具有出色PD性能的高质量YDF对于提高激光输出功率也至关重要。PD效应表现为取决于泵浦功率和掺杂剂浓度的,泵浦引起的过量损耗的演变过程。这可以归因于由Yb3+激发到纤芯中原子缺陷前驱体的协同能量转移过程中产生的色心。色心可以引起从紫外到近红外波长的随时间变化的宽带吸收,从而导致泵浦和激光波长的激光功率显著降低。由于抑制了色心的形成,共掺杂Ce可以显着提高Yb / Al共掺杂纤维的抗PD性能。共掺杂铈元素能显著提高Yb/Al共掺光纤的抗光暗化效应性能,但其抗光暗化效应的机理尚不清楚。

  来自中国科学院西安光学精密机械研究所(XIOPM)瞬态光学与光子学国家重点实验室的SHE Shengfei和其同事共同制造了一种具有高激光稳定性的30/600有源光纤,该光纤被称为Yb/Ce-AS@LAS fiber。采用低温螯合气相沉积(LT-CGPD)技术对多千瓦级掺镱光纤中铈的添加进行了综合调整。最后,基于Ce共掺杂的Yb / Al光纤,它们在1,079.80nm处显示了出色的结果。该研究成果发表在Lightwave Technology上。

  研究人员采用改进的化学气相沉积(MCVD)系统结合CGPD技术制备了具有均匀纤芯成分的Yb/Ce-AS@LAS光纤。为了降低本底损耗,提高镱铈砷镧光纤的功率承载能力,采用了低温CGPD技术,所有原料均具有较高的纯度(≥5N)。连续波激光性能测试实验是在一个多光子吸收系统上进行的,如下图所示。

MOPA配置示意图

  使用5.40 kW泵浦光直接向前泵浦的MOPA配置,长15m的30/600 Yb / Ce-AS @LAS光纤在1079.80 nm处输出5.04 kW激光输出,斜率效率为81.1%,光束质量M2为2.65。同时,高功率光纤放大器的长期稳定性得到了有效改善,同时表明了Ce的添加对PD和附加热负荷的抑制作用。

在5.04千瓦输出功率下测量的光束质量因子

  他们不仅打破了光纤激光器的功率记录,而且还基于通过LT-CGPD技术制造的自制Yb / Ce共掺杂铝硅酸盐纤维,为更好的商业大功率光纤激光器铺平了道路。

  本文来源:Shengfei She et al. Yb/Ce Codoped Aluminosilicate Fiber With High Laser Stability for Multi-kW Level Laser, Journal of Lightwave Technology (2020). DOI: 10.1109/JLT.2020.3019740

内容来自:江苏激光产业创新联盟
本文地址:http://www.iccsz.com//Site/CN/News/2020/12/11/20201211013425886585.htm 转载请保留文章出处
关键字: 掺杂光纤
文章标题:中科院西安光机所研制出用于多千瓦级激光器的掺杂光纤
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