【儀表網 研發快訊】近期，中國科學院上海光學精密機械研究所空天激光技術與系統部、王之江激光創新中心研究團隊在高功率摻銩光纖激光器光束質量預測研究與熔接質量提升方面取得進展。相關研究成果以“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)在生物醫療、塑料加工、激光雷達、吸收光譜診斷、中紅外激光泵浦源等領域具有廣闊的應用前景。在高功率情況下，量子虧損所導致的熱沉積會使得有源光纖內部出現較嚴重的熱致折射率變化，從而影響輸出光束的質量。如何平衡高功率摻銩光纖激光器眾多設計參數、預測和改善激光輸出性能、實現高光束質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激光器內部的光束傳輸情況，并根據最終輸出光斑的輪廓預測給出了激光器的輸出光束質量。將不同激光功率光束質量數值計算結果與典型實驗研究結果進行對比發現，預測結果與實驗結果的偏差小于10%，從而驗證了所建立光束質量預測模型的準確性。
圖1. 光束質量預測模型示意圖
同時，通過數值模擬和實驗探索，研究人員深入分析了含基座摻銩光纖熔接質量對激光器輸出性能的影響，通過熔接參數仿真與熔接工藝優化，實現了功率202W的1940nm摻銩光纖激光高性能穩定輸出：與初始的熔接參數相比，光光轉換效率由39.6%提升至48.4%，光束質量由M2x=10.55、M2y=11.89提升至M2x=2.17、M2y=2.26。本研究為高功率、高光束質量TDFL的設計提供了理論指導。
圖2. 高功率摻銩光纖激光器裝置結構圖
圖3. (a)熔接質量提升前后輸出功率對比；(b)熔接質量提升前的光束質量；(c)熔接質量提升后的光束質量
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