高功率光纤激光器中自脉冲效应的产生及其抑制

大模场面积光纤高功率光纤激光器与光纤放大器随着大功率半导体激光技术的发展，半导体激光泵浦的固体激光器（DPSSL）在很大程度上克服了灯泵浦固体激光器的效率低、规模难以扩大、亮度随规模扩大而增大有限、介质热变形导致的光束质量下降等问题。

随着半导体激光器阵列价格的下降和固体激光器性能的提高，高功率DPSSL必将获得更为广泛的应用。

虽然DPSSL相对于CO2和灯泵Nd：YAG具有很大的优越性和竞争力，但由于在激光产生时总有一部分能量以无辐射跃迁的方式转换为热，对于常规的棒状DPSSL，高功率时存在严重的热透镜和热致双折射效应，从而使得光束质量下降。

这部分热能量如何从棒状激光介质中散发、排除，成为获得高光束质量、高功率输出的关键。

将块状激光介质做成薄片或拉成细长光纤形状，将会有效增大散热表面积，使表面积/体积比大大提高，有利于固体激光器散热问题的解决，这就是高功率固体激光器发展的两个重要方向：薄片激光器和光纤激光器。

通常所说的光纤激光器，就是采用光纤作为激光介质的激光器，通过在光纤基质材料中掺杂不同的稀土离子，获得所对应波段的激光输出。

对于常规的单模光纤激光器，要求注入到纤芯的泵浦光也必须为单模，这限制了泵浦光的入纤效率，导致光纤激光器的输出功率和效率较低。

双包层光纤的提出，为提高光纤激光器的输出功率和转换效率提供了有效的技术途径，改变了光纤激光器只能作为一种小功率光子器件的历史。

考虑到量子转换效率、抗激光损伤阈值和基底损耗等原因，掺镱石英双包层光纤是实现高功率光纤激光器或放大器的最佳选择。

随着双包层光纤制作工艺和高功率半导体激光泵浦技术的发展，单根双包层光纤激光器的输出功率逐步提高，连续输出功率已经达到千瓦级。

大模场面积双包层光纤双包层光纤中折射率呈典型的阶跃式分布，对于圆形的掺杂纤芯，双包层光纤激光器能否实现单模激光输出，取决于纤芯的直径d和数值孔径NA0，实际的单模条件为归一化频率。

要保证双包层光纤激光器实现单模激光输出，纤芯的参数必须满足上述条件。

超快激光脉冲的发生与控制在现代科学技术领域，激光技术已经成为一种不可或缺的工具。

而在激光技术中，超快激光脉冲技术因其高能量、高功率和高重复频率等特点，成为重要的一环。

超快激光脉冲可以广泛应用于材料加工、精密测量、光学成像以及生物医学领域等。

本文将探讨超快激光脉冲的发生与控制。

超快激光脉冲是如何产生的？要想产生超快激光脉冲，首先需要一种能够产生激光的介质，这种介质大部分是激光晶体。

激光晶体表面被镀上一个厚度约为十几微米的半反射膜。

向晶体提供外部的电磁波或电动力场，扰动晶体原子的能级，在一定的激励下，晶体内的活性离子跃迁到高能量能级。

激光晶体里的活性离子能够发射光子来掉回低能量的能级，它会激发向前传播的其他离子，产生巨大的激发和叠加效应，产生一大群同时带有相同位相的光子，即激光脉冲。

超快激光脉冲控制的重要性超快激光脉冲在科学技术及生命科学领域的应用非常广泛。

例如，在生物医学领域中，利用超快激光脉冲，医生可以将肿瘤组织等病变区域加热杀死，而不会对正常组织造成过多伤害。

在材料加工领域中，超快激光脉冲可以用于快速切割或者精细加工高硬度的材料，如金属和硬质陶瓷等。

然而，由于超快激光脉冲的功率密度非常大，因此需要对其进行有效的控制。

控制超快激光脉冲，可以解决许多在其应用过程中所面临的挑战。

控制超快激光脉冲的方法超快激光脉冲控制的主要方法可分为两类：被动调制和主动调制。

一、被动调制被动调制的原理是利用物质的反射和吸收特征来改变激光脉冲的特性，主要包括：光纤搭配投射式超短波长光谱仪或波分复用器、半导体材料反射镜、光学偏振器组等。

二、主动调制主动调制常用的做法是根据特定的应用要求，对超快激光脉冲进行改变。

这一方法利用了超快激光脉冲的高重复率和光束发散性特点，主要包括：锁模式同步放大、超快激光脉冲加压、超快激光脉冲伸展等。

在超快激光脉冲的探索中，光谱科学、物理化学、材料科学和生命科学等多个科研领域达成了深入探索与合作，不断突破超快激光脉冲技术的局限性。

高平均功率飞秒钛宝石激光以及周期量级光脉冲的产生与控制高平均功率飞秒钛宝石激光以及周期量级光脉冲的产生与控制近年来，高平均功率飞秒钛宝石激光和周期量级光脉冲的研究引起了广泛关注。

这些技术在光学通信、超快光谱学、光子学和量子光学等领域具有广泛的应用前景。

本文将介绍高平均功率飞秒钛宝石激光的工作原理，以及产生和控制周期量级光脉冲的方法。

高平均功率飞秒钛宝石激光是一种将飞秒级激光脉冲通过强度放大器放大到高功率的激光器。

其中，飞秒激光脉冲是一种具有极短脉宽（飞秒级别）和高峰值功率的激光，其脉冲能量较低。

通过提高飞秒激光的平均功率，可以在更短的时间内获得更大的能量。

高平均功率飞秒钛宝石激光的产生需要借助超连续波飞秒激光技术。

首先，通过光纤拉伸和色散补偿技术实现飞秒激光脉冲的形成。

然后，将飞秒激光脉冲导入到放大器中进行放大，通过多次放大和光束调整，可以实现高功率的输出。

在高平均功率飞秒钛宝石激光的应用中，周期量级光脉冲的生成和控制是关键问题。

周期量级光脉冲是指激光脉冲的重复周期非常短，通常在几十到上百飞秒之间。

产生周期量级光脉冲的方法有多种，包括谐波产生、自调制和自由电子激光中的高次谐波等。

具体来说，在高平均功率飞秒钛宝石激光中，谐波产生是一种常用的周期量级光脉冲产生方法。

谐波产生是通过利用非线性光学材料的二次谐波效应将激光脉冲的频率加倍来实现的。

通过选择合适的非线性材料和优化激光入射角度等参数，可以得到周期量级的光脉冲。

此外，自调制是另一种产生周期量级光脉冲的方法。

在高平均功率飞秒钛宝石激光中，自调制是指在光纤中由于非线性效应引起的脉冲形状的调制。

通过调整光纤的长度和光脉冲的参数，可以实现周期量级的光脉冲的生成。

最后，自由电子激光中的高次谐波也可以用来产生周期量级光脉冲。

自由电子激光是一种利用自由电子束和激光场相互作用来产生激光的技术。

通过将激光束与自由电子束交叉，可以实现高次谐波的产生。

通过优化自由电子束和激光的参数，可以获得周期量级的光脉冲。

超快速激光脉冲的产生与控制激光技术已经成为了现代科技中不可或缺的一部分，而超快速激光技术则是激光技术中的高难度重点研究方向。

超快速激光脉冲的产生与控制是其中的关键问题之一。

本文将介绍超快速激光脉冲的产生原理、现有的控制技术以及未来可能的研究方向。

一、超快速激光脉冲的产生原理超快速激光脉冲产生的核心原理是非线性光学过程。

当激光脉冲强度足够高时，就会出现非线性效应，例如光学 Kerr 效应和Raman 效应等。

这些效应会使光波的相位发生变化，并且在激光脉冲穿过介质的过程中，能量从基频转移到其他频率（通常是高频）。

最终形成的脉冲具有超快速的特性。

这是因为高频分量对应的波长较短，这样就能够获得更宽的光谱宽度，并且使得脉冲的宽度更短。

二、现有的超快速激光脉冲控制技术1. 调制器方法该方法是通过外加调制器的方式在激光脉冲上进行时域调制。

调制器通常使用光学微波光栅或者平面光栅，能够产生周期为数十 picoseconds 的调制。

这样就能够在时域上调制激光脉冲的波形和谱特性。

该方法的优点是技术成熟、容易操作，能够改变整个脉冲的波形和谱特性。

但是缺点也很明显，主要是调制器的带宽有限，不能很好地调制超快速脉冲，而且调制器还会对脉冲的能量造成损耗。

2. 自相位调制方法自相位调制方法是利用光学 Kerr 效应自身调制产生超快速激光脉冲的方法。

它使用一个自适应器件实时监测光脉冲相位的变化，并通过反馈来改变激光光路长度。

这样就能够在相位上对光脉冲进行调制，并最终得到超快速激光脉冲。

该方法的优点是适用于超快速脉冲，可以灵活控制脉冲的相位及幅度，且带宽较宽，但是需要高质量的光源和光路。

3. 双光学器件法该方法是将两个非线性光学器件串联，利用它们对光脉冲相位的影响，以及不同频率下线性和非线性效应的启动和平衡来产生超快速激光脉冲。

同时，该方法处于光路的高斯焦点位置，使其具有更好的能量传输和更好的空间束缚性。

该方法优点是在可接受的复杂性和成本下，能够产生高质量的超快速激光脉冲，是一个有效的控制方法。

(19)中华人民共和国国家知识产权局(12)发明专利申请(10)申请公布号 (43)申请公布日 (21)申请号 202010568471.8(22)申请日 2020.06.19(71)申请人 南京理工大学地址 210094 江苏省南京市玄武区孝陵卫200号(72)发明人 沈华　杨飞燕　矫岢蓉　朱日宏　卞殷旭　韩志刚　孔庆庆　(74)专利代理机构 南京理工大学专利中心32203代理人 朱沉雁(51)Int.Cl.H01S 3/067(2006.01)H01S 3/10(2006.01)(54)发明名称能同时抑制光纤激光器中自相位调制和四波混频的方法(57)摘要本发明公开了一种能同时抑制光纤激光器中自相位调制和四波混频的方法，针对光纤激光器中由自相位调制和四波混频激发的寄生激光引起的输出光谱主瓣展宽，根据寄生激光光谱特性提出了一种相移长周期光纤光栅，该光栅具有两个以信号激光中心波长为中心呈旋转对称的谐振峰，且两谐振峰波长与寄生激光波长相对应，能够将寄生激光从纤芯模耦合至包层模。

利用基于微波的热处理方法，大幅度降低了光栅的温度系数，同时结合飞秒激光制作的均匀性包层‑空气全耦合器件将寄生激光从包层模耦合至空气中，从而提高光纤激光器的线宽水平。

相比于现有方法，本发明提出的方法具有成本低、灵活性强、适用于不同结构光纤激光器等优点。

权利要求书3页 说明书7页 附图3页CN 111725694 A 2020.09.29C N 111725694A1.一种能同时抑制光纤激光器中自相位调制和四波混频的方法，其特征在于：针对光纤激光器中由自相位调制和四波混频效应激发的寄生激光引起的输出光谱主瓣展宽，根据寄生激光光谱特性提出了一种相移长周期光纤光栅，所述相移长周期光纤光栅具有两个以信号激光中心波长为中心呈旋转对称的谐振峰，且两谐振峰波长与自相位调制和四波混频激发的寄生激光的中心波长相对应，能够将由自相位调制和四波混频效应激发的寄生激光从纤芯模耦合至包层模；同时结合基于飞秒激光光刻制作的均匀性包层-空气全耦合器件将寄生激光从包层模耦合到空气中去，最终有效抑制由光纤激光器中自相位调制和四波混频效应引起的光谱展宽，从而大幅度提高光纤激光器的线宽水平。

高功率光纤激光器中自脉冲效应的产生及其抑制一、自脉冲效应的产生1. 自脉冲效应的概述自脉冲效应指的是高功率光纤激光器（以下简称fiber laser）中产生的不可控脉冲，它往往在单模激光器中存在着明显的“sparks”，其形态非常相似，在双模激光器中可表现为两路发射线交替变化。

自脉冲效应常见于CW或变调处理后的激光，主要由器件的自激泵浦环节引起。

2. 产生机制高功率 Fiber laser的人工混合系统以及流动介质熔断器作为维持稳定发射的最后一道防线，但是在严峻的操作条件下可能出现概率性不稳定，使得稳定的激光辐射受到剧烈打扰。

这种现象就是所谓的自脉冲效应，它是由环节传输引起的时延不稳定而产生的一种特殊激光效应。

3. 自脉冲效应对激光器性能造成的影响自脉冲效应对激光器性能有不利影响，首先，它会严重降低激光器的发射能级，影响它的使用效率；其次，由于发射功率的突变，会严重干扰激光器的控制系统，影响激光器的稳定运行；最后，它可能造成散射等不良后果，进而对激光的安全性产生威胁。

二、自脉冲效应的抑制1. 激光器结构改进由于自脉冲效应的出现和激光器的结构有关，所以采用结构改进的方式来减少其发生的可能性是一种有效的解决办法。

结构改进包括反射镜斜度调整、反射镜温度和有效抗膜波长调整、增大环节数量等。

2. 减少噪声降低噪声也是降低自脉冲效应发生几率的方法之一，可以通过改进控制系统与降低孤立源的接触等方式进行抑制。

3. 加大稳定强度激光器发射的激光功率过低以及激光脉宽度过大时，都有可能产生自脉冲效应。

因此，可以通过调整激光脉宽来抑制自脉冲效应发生。

4. 加强通道共振保持加强光纤激光器的通道共振保持也是降低自脉冲效应出现几率的一种方法，可以通过增加铁磁激光管来加强共振保持，从而有效抑制自脉冲效应的发生。

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