光學-976nm直接單端泵浦10kW級單纖系統(tǒng)設計與實驗研究課件

1、976nm直接單端泵浦10kW級單纖系統(tǒng)設計與實驗研究目錄 研究背景 研究現(xiàn)狀 10kW系統(tǒng)設計與實驗進展 結(jié)論與下一步計劃目錄 研究背景 研究現(xiàn)狀 10kW系統(tǒng)設計與實驗進展 結(jié)論與下一步計劃研究背景高能光纖激光系統(tǒng)有著廣泛的應用高效率高光束質(zhì)量體積小，重量輕柔性傳輸高可靠性軍事、醫(yī)療、高端制造研究背景高能光纖激光系統(tǒng)在軍事方向應用廣泛 軍用激光wq系統(tǒng)對光纖激光光源性能提出了高的要求：高光束質(zhì)量高功率/質(zhì)量比高的光譜可控性高可靠性 面向軍事應用的光纖激光系統(tǒng)輸出功率和品質(zhì)的提升面臨諸多物理與技術(shù)因素的限制。研究背景高能光纖激光系統(tǒng)面臨的挑戰(zhàn)物理受限：非線性（SRS、SBS、TMI）帶來的輸

2、出品質(zhì)（功率 光束質(zhì)量、光譜純度）的劣化技術(shù)受限：泵浦亮度（泵浦LD及泵浦耦合技術(shù)）、功率負載（材料相關）、熱負載（熱管理技術(shù)）帶來的輸出功率受限受限解決方法：設計、材料、器件等幾大環(huán)節(jié)耦合矛盾目錄 研究背景 研究現(xiàn)狀 10kW系統(tǒng)設計與實驗進展 結(jié)論與下一步計劃研究現(xiàn)狀高能光纖激光功率提升之路軍用門檻100kW高能光纖激光系統(tǒng)功率合成技術(shù)提升功率保持品質(zhì)單纖功率提升單纖kW級單纖10kW級單路100kW？幾何并束？靶面功率合成共孔徑功率合成光譜合成相干合成偏振合成研究現(xiàn)狀單纖功率提升國際 IPG公司：“軍民通吃，一家獨大！” 單纖獨領風騷：10kW近衍射極限 2016年：實現(xiàn)單纖20kWGT

3、wave： 分布式泵浦，熱負載均勻；反向泵浦，抑制SRS和TMI；1018泵浦： 激光器泵浦激光器，亮度高，耦合泵浦功率量級提升；主放光纖量子效率高，內(nèi)熱低，抑制SRS和TMI對光纖材料要求高： 一般摻雜1018吸收系數(shù)低，光纖使用長，非線性無法抑制；但高摻雜材料功率負載挑戰(zhàn)大總體效率有損失： 9761018106431191IPG突破高摻雜材料、高效率LD技術(shù)，電光效率30%熱負載研究現(xiàn)狀單纖功率提升國內(nèi) 清華大學10kW 國防科技大學10kW雙端泵浦： 泵浦注入能力提升一倍； 有一定的非線性抑制效果；976nm泵浦： 對光纖材料要求低，正常吸收系數(shù)光纖即可，光纖短，非線性可控雙端泵熱負載集

4、中： 兩端泵浦注入點附近溫度高；兩端泵浦耦合器件熱負載高，可靠性是問題1018端面泵浦： 激光器泵浦激光器，亮度高，耦合泵浦功率量級提升；主放光纖量子效率高，內(nèi)熱低，抑制SRS和TMI對光纖材料要求高：總體效率有損失：正向端面泵浦 非線性抑制難度大 材料、器件、泵浦亮度受限，國內(nèi)目前仍聚焦解決突破亮度受限，將足夠的泵浦激光注入，獲得足夠功率輸出方向，品質(zhì)有待提高。目錄 研究背景 研究現(xiàn)狀 10kW系統(tǒng)設計與實驗進展 結(jié)論與下一步計劃10kW系統(tǒng)設計 976nm端泵的方式實現(xiàn)IPG式的分布式泵浦？ 假設增益做到變芯包比，光纖芯包比沿光纖軸向逐漸增大光纖的泵浦功率吸收逐漸增強光纖信號功率逐步增加熱

5、負載均勻和非線性效應得到抑制等效分布式泵浦10kW系統(tǒng)設計 等效分布式泵浦的變芯包比設計 相同泵浦功率和輸出下，變芯包比設計功率分布、熱負載分布更均勻，等效分布式10kW系統(tǒng)設計 驗證思路難度分解到反向泵浦/信號合束器和特殊結(jié)構(gòu)光纖上變換1變換2泵浦/信號合束器：功率負載高光纖：包層變徑工藝；10kW級負載，純度夠不夠？泵浦/信號合束器負載問題放一放光纖材料變徑工藝問題放一放；驗證材料純度功率負載問題10kW系統(tǒng)設計 變換后的驗證方案仍面臨問題1.目前976nm泵浦源亮度不夠： 能夠獲得的最高功率泵浦源1.7kW300um，按照傳統(tǒng)（6+1）1泵浦/信號合束器，耦合泵浦功率受限，無法實現(xiàn)10k

6、W級輸出 2.端面泵浦熱負載集中，主放光纖泵浦注入附近，發(fā)熱太高，難以承受。10kW系統(tǒng)設計 976nm端面泵浦10kW系統(tǒng)設計 擴大主放光纖直徑，容納更多泵浦激光器條件：現(xiàn)有最大亮度泵浦源Dilas1.7kW尾纖300/330NA0.22 泵浦/信號束器信號光纖復用泵浦激光1.7kW685%=8.7kW（ 1.7kW6+2kW）85%=10.3kW10kW系統(tǒng)設計 976nm端面泵浦10kW系統(tǒng)設計假定2種光纖具有相同的包層材料（石英）導熱率、涂覆層厚度（如100 m）、相同的冷卻換熱系數(shù)和工作環(huán)境溫度（300 K）以及端面10.4 kW泵浦激光注入。計算2種有源光纖端面泵浦注入點的溫度隨光

7、纖長度的變化如圖3所示?？梢钥闯鲈谙嗤鞣殴饫w長度下，900 m包層的有源光纖的泵浦注入?yún)^(qū)溫度低于400 m包層的有源光纖，并且系統(tǒng)所用主放有源光纖越短（相應摻雜濃度越高），該溫度差異越明顯。由于光纖系統(tǒng)芯區(qū)和涂覆層溫度越高，越容易造成光纖的熔融毀傷，并且由于采用短的光纖更有利于抑制高功率光纖系統(tǒng)的非線性效應，因此900 m包層的有源光纖在熱管理可靠性和非線性抑制較常規(guī)400 m包層的有源光纖更具優(yōu)勢。 擴大主放光纖直徑，降低泵浦注入點熱負載10kW系統(tǒng)設計 976nm端面泵浦10kW系統(tǒng)設計 基于一級振蕩+一級放大的（1+1）MOPA結(jié)構(gòu) 通過（18+1）1將泵浦激光注入（6+1）1泵浦 /

8、信號合束器的信號光纖，補充更多的泵浦功率 振蕩級小功率（150W）注入10kW系統(tǒng)實驗驗證 關鍵界面的處理技術(shù)光纖圖像（熔接機）獲得完美的熔點圖像處理反饋控制熔接機纖芯對準針對國產(chǎn)特種光纖開發(fā)切割、熔接、再涂覆技術(shù)涂覆層端口特殊處理10kW系統(tǒng)實驗驗證 齊裝配套自制器件開發(fā)10kW級系統(tǒng)可用的光纖CPS、QBHQBH：承載功率10kWCPS：包層功率剝離能力1.5kW10kW系統(tǒng)實驗驗證 實驗結(jié)果1.5kWCPS 去掉輸出殘余泵浦激光，扣除功率計系數(shù)影響，激光輸出功率9.5kW，放大級光光效率83.6%泵浦注入點溫度5510kW系統(tǒng)實驗驗證 結(jié)果及討論1.殘余泵浦功率不高，SRS能量占比極小，

9、長波段能量占比過高（強烈模間四波混頻效應）需要優(yōu)化種子源(波長和光譜，抑制ASE和由種子源引入的邊帶)2.優(yōu)化輸出準直設計，完成光束質(zhì)量測試3.泵浦/信號合束器實際只實現(xiàn)了6組泵浦注入共約11.4kW的976nm泵浦激光，其中有一組泵浦臂損耗較大無法注入泵浦激光，需要優(yōu)化器件，增加2kW泵浦注入。目錄 研究背景 研究現(xiàn)狀 10kW系統(tǒng)設計與實驗進展 結(jié)論與下一步計劃結(jié)論提出一種等效分布式泵浦的變芯包比光纖激光系統(tǒng)設計，具備高品質(zhì)10kW級以上輸出的能力；開展了變芯包比10kW級光纖激光系統(tǒng)分解設計，通過擴大主放光纖芯徑、復用泵浦/信號合束信號光纖，解決10kW系統(tǒng)熱負載和泵浦亮度不足問題，從而實現(xiàn)滿足10kW輸出的足夠泵浦激光注入首次采用國產(chǎn)增益和匹配光纖、國產(chǎn)泵浦/信號合束器、自制CPS、QBH，完成976nm直