【儀表網(wǎng) 研發(fā)快訊】近期，中國科學(xué)院上海光學(xué)精密機械研究所空天激光技術(shù)與系統(tǒng)部、王之江激光創(chuàng)新中心研究團隊在高功率摻銩光纖激光器光束質(zhì)量預(yù)測研究與熔接質(zhì)量提升方面取得進展。相關(guān)研究成果以“Beam quality prediction for Tm-doped fiber system based on finite-difference beam propagation method”和“Influence of pedestal fiber splice on Tm-doped fiber laser performance”為題分別發(fā)表于Physica Scripta和IEEE Photonics Journal。
波長處于1900~2100nm范圍的高功率摻銩光纖激光器(TDFLs)在生物醫(yī)療、塑料加工、激光雷達(dá)、吸收光譜診斷、中紅外激光泵浦源等領(lǐng)域具有廣闊的應(yīng)用前景。在高功率情況下，量子虧損所導(dǎo)致的熱沉積會使得有源光纖內(nèi)部出現(xiàn)較嚴(yán)重的熱致折射率變化，從而影響輸出光束的質(zhì)量。如何平衡高功率摻銩光纖激光器眾多設(shè)計參數(shù)、預(yù)測和改善激光輸出性能、實現(xiàn)高光束質(zhì)量的激光輸出是一個亟待解決的問題。
本項工作中，針對具有復(fù)雜折射率和不同彎曲半徑的有源光纖，研究人員通過有限差分光束傳輸法(FD-BPM)仿真模擬了給定參數(shù)激光器內(nèi)部的光束傳輸情況，并根據(jù)最終輸出光斑的輪廓預(yù)測給出了激光器的輸出光束質(zhì)量。將不同激光功率光束質(zhì)量數(shù)值計算結(jié)果與典型實驗研究結(jié)果進行對比發(fā)現(xiàn)，預(yù)測結(jié)果與實驗結(jié)果的偏差小于10%，從而驗證了所建立光束質(zhì)量預(yù)測模型的準(zhǔn)確性。
圖1. 光束質(zhì)量預(yù)測模型示意圖
同時，通過數(shù)值模擬和實驗探索，研究人員深入分析了含基座摻銩光纖熔接質(zhì)量對激光器輸出性能的影響，通過熔接參數(shù)仿真與熔接工藝優(yōu)化，實現(xiàn)了功率202W的1940nm摻銩光纖激光高性能穩(wěn)定輸出：與初始的熔接參數(shù)相比，光光轉(zhuǎn)換效率由39.6%提升至48.4%，光束質(zhì)量由M2x=10.55、M2y=11.89提升至M2x=2.17、M2y=2.26。本研究為高功率、高光束質(zhì)量TDFL的設(shè)計提供了理論指導(dǎo)。
圖2. 高功率摻銩光纖激光器裝置結(jié)構(gòu)圖
圖3. (a)熔接質(zhì)量提升前后輸出功率對比；(b)熔接質(zhì)量提升前的光束質(zhì)量；(c)熔接質(zhì)量提升后的光束質(zhì)量
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