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激光行业的又一重要突破:飞秒FBG成功应用于5kW近单模光纤振荡器

发布:2022-04-19 09:53作者:www.huyunjituan.com点击:825次

大功率光纤振荡器结构简单、反向亮度强、成本相对较低,广泛应用于国防、加工工业等领域。光纤布拉格门(FBG)是光纤振荡器结构的主要单元,它充当激光反馈谐振器的镜子并实现激光输出电路。
目前,主要的书写方式是紫外线辐射。使用这种方法进行 FBG 配准时,必须在配准完成后对光纤进行预加载氢气和热退火。这些过程不仅会增加生产时间,还会影响 VBR 的性能。 FBG 也可以用飞秒激光记录。与目前的紫外线照射方法相比,光纤不需要光敏性,因此可以省去充氢和高温退火等工艺,显着缩短生产时间。此外,飞秒激光还可以在不去除涂层的情况下在增强光纤上写入,这在后续的FBG应用中非常有用,尤其是在高功率玻璃光纤振荡器系统中。
2019年,德国耶拿大学利用飞秒激光打标技术,写入大面积掺镱双涂层光纤高反转FBG,产生1.9千瓦。波长匹配的 FBG 对被蚀刻到传输光纤中,并实现了 5 kW 全光纤发生器。近日,国防科技大学高能激光技术研究所采用飞秒激光相位扫描的方法,制作了芯内壳直径为20 μm的双涂层FBG对。 / 400 μm,实现了5027 W的总光纤振荡功率。光光转换效率约为82%,M2光束品质因数约为1.6。是全球第二家利用飞秒存储技术生产5千瓦FBG的产品研发单位,为国内首家。
FBG飞秒激光记录方法
飞秒激光在FBG记录中的使用主要分为两类,一类是用飞秒激光直接记录,另一类是结合相位图案进行记录。
目前,飞秒激光直接配准技术主要包括点配准、逐行配准、表面配准和纤芯扫描。采用飞秒激光直接记录技术的FBG记录相对灵活,可以通过周期切换实现所有谐振波长的FBG,但在记录过程中容易实现连接损耗,调制单脉冲折射率通常很重要。大心脏直径的 FBG 的力矩不受影响。因此,直写FBG更适合光纤检测。
飞秒激光和相位掩模的组合也可用于实现 FBG 记录。与直接记录相比,这种方式的FBG记录一般传输损耗较小,对记录系统稳定性的影响较小。适用于稳定性要求高的光纤激光器。
目前,飞秒激光与相位模式相结合用于FBG记录主要分为两类:静态记录和动态扫描记录。飞秒激光用柱面透镜聚焦后,通常会聚焦一定的焦距,即飞秒激光聚焦后不是一个点,而是一条一定长度的线。如图 1 所示,在静态记录的情况下,FBG 的长度受光斑大小的限制,并且 FBG 的折射率横向分布仅为穿过纤芯的直线段。静态记录适用于记录茎径较小的FBG。写入大直径纤芯的FBG不仅需要更长的晶格长度,而且需要更大的面积来调制横向折射率以提高模态耦合系数。现代动态分析过程就是基于这一要求。
五十秒激光相位图案扫描法配准系统,该系统在静态配准系统的基础上,增加了检流计和一维控制平台来调整光斑。振镜调整光斑焦点在纤芯内的位置,实现快速调谐;受光斑大小的限制,在记录过程中光斑沿光纤方向移动,以增加FBG的长度。借助该平台,可以在大芯径光纤上有效记录 FBG。
安装5KW全光纤发生器
用于记录的飞秒激光波长为515nm,重复频率为1kHz,单脉冲能量约为250μJ,飞秒激光的点径约为3mm。用于 FBG 记录的光纤是高质量的双包层光纤(芯径/内护套:20 µm / 400 µm)。 FBG反射光谱在1070nm谐振波长,HR-FBG长度4.5cm,反射率大于99%,带宽1.6nm,HR-FBG长度3mm,光栅反射率约为10%,0.3nm带宽。
我们的研究团队使用一对 1070 nm 范围内的 FBG,构建了一个全光纤发生器,其使用的掺镱双护套光纤长度(芯/内护套直径:20 µm / 400 µm)为 19 m,长度为每个泵浦源功率为19m~900W,发生器两端熔断石英塞,避免末端反射。
输出功率曲线作为泵浦功率的函数,泵浦功率为 6151 W,发电机功率为 5027 W,发电机效率为 82.1%,光束品质因数 M2 为 1,最大输出功率为 6。激光光谱对应不同的输出效应,当激光功率增加时,由于各种非线性效应,光谱变小,如。 B. 自相位调制是广泛的。输出功率为5027W,光谱半峰宽(FWHM)约为7.1nm,光谱中开始出现拉曼光,输出功率为3005W,拉曼光强度比激光低18dB在最大输出功率。随着实验次数的增加,飞秒激光记录的FBG的温升特性逐渐改善。
三、结论
飞秒激光相图扫描技术是记录高性能FBG的有效方法。与UV照射方法相比,配准过程大大简化,FBG可以承受更高的激光功率。它可以代替紫外线照射的方法作为书写方法。用于高性能发电机的传统FBG工艺具有巨大的市场潜力和实用性;啁啾斜光纤布拉格光栅(CTFBG)是抑制高功率光纤激光器受激拉曼散射效应的有效器件。 CTFBG激光记录系数,在飞秒激光记录装置中,拉曼滤光片的性能有待提高。
高功率环形光纤激光器与传统的高斯光束光纤激光器相比,具有非常不同的功率分布特性,仅用于工业加工。然而,由于状态不稳定性的动态效应和受激拉曼散射效应,普通光纤激光器很难直接实现环形激光器的高功率。
国防科技大学使用其专有的SeeFiberTool光纤激光仿真软件,对宽模场增益光纤支持的激光模式及其在其他不同衍射级别上的模式损耗特性进行了模拟和分析。光纤并计算不同功率水平下不同状态的激光功率的比例。激光输出的强度分布与其光束质量的对应特征。基于仿真结果和光纤类型优化,采用商用 25/400 µm 宽场掺镱光纤和 915 nm 固态泵浦源制造双泵浦光纤激光振荡器。结束。泵浦功率可以提取一束环形激光束,最大输出功率达到5kW,没有明显的强制合流现象和动态不稳定效应。光束质量测试结果表明,光纤激光振荡器可以达到标准环形光束功率,输出功率超过2kW,点能量分布恒定,相对于中心的间隔环形区域的强度比可以达到最大值1.6。
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