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万瓦级光纤激光双色镜合成技术

奚小明 杨保来 王鹏 张汉伟 王小林 韩凯 王泽锋 许晓军 陈金宝

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万瓦级光纤激光双色镜合成技术

奚小明, 杨保来, 王鹏, 张汉伟, 王小林, 韩凯, 王泽锋, 许晓军, 陈金宝

Over 10-kW fiber laser spectral beam combination based on dichromatic mirrors

Xi Xiao-Ming, Yang Bao-Lai, Wang Peng, Zhang Han-Wei, Wang Xiao-Lin, Han Kai, Wang Ze-Feng, Xu Xiao-Jun, Chen Jin-Bao
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  • 高功率光纤激光具有光束质量好、转换效率高、热管理方便和柔性传输等优势, 在工业加工和国防领域具有广泛的应用需求. 目前, 受限于光纤中的非线性效应和模式不稳定效应, 单链路光纤激光器输出功率的提升遇到了巨大挑战. 为突破单链路激光功率限制, 本文基于双色镜合成技术, 利用两路自研近单模宽谱光纤激光放大器实现了10 kW近单模合束激光输出, 合成效率约为98.3%, 光束质量因子M 2约为1.29. 为进一步提升功率, 采用三路宽谱激光实现了13.52 kW合束激光输出, 合成效率约为96.8%, 光束质量因子M 2约为1.61. 本文首次在实验上验证了双色镜合成技术的对宽谱激光的功率提升潜力和光束质量保持能力, 通过增加合成路数以及提高单路激光功率, 有望在保持高光束质量的情况下实现更高功率激光输出.
    Owing to the advantages of good beam quality, high conversion efficiency, convenient thermal management and compact structure, high power fiber lasers have been widely desired in industrial processing. So far, the output power has been strictly limited by the nonlinear effects and transverse mode instability. In order to break through the power limitation, here we experimentally demonstrate a power boosting technology called spectral beam combination based on dichromatic mirrors. Firstly, high power fiber amplifiers with different central wavelengths are established for the spectral combination. Secondly, utilizing a dual-beam combined system and two homemade high power fiber amplifiers, an output power of 10 kW is achieved, with a remarkable combination efficiency of 98.3% and a beam quality of M 2~1.33. Secondly, using a three-beam combined system, an output power of 13.5 kW is obtained with a combination efficiency of 96.8% and beam quality of M 2~1.61. By increasing the number of input beams and their output power as well, we believe that a higher output power can be achieved based on dichromatic mirror spectral beam combination.
      通信作者: 王小林, chinaphotonics@163.com ; 王泽锋, zefengwang_nudt@163.com
    • 基金项目: 国家自然科学基金(批准号: 61905282, 62005315)资助的课题.
      Corresponding author: Wang Xiao-Lin, chinaphotonics@163.com ; Wang Ze-Feng, zefengwang_nudt@163.com
    • Funds: Project supported by the National Natural Science Foundation of China (Grant Nos. 61905282, 62005315).
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  • 图 1  光纤激光放大器结构示意图

    Fig. 1.  Schematic of the fiber amplifiers.

    图 2  两路合束实验中激光器在最高输出功率时的光谱

    Fig. 2.  Optical spectra of the fiber amplifiers at the maximum output power for the dual-beam combination experiment.

    图 8  (a)三路激光合束装置示意图; (b)三路激光光谱以及双色镜的透射曲线

    Fig. 8.  (a) Schematic of the three-beam combining setup; (b) beam spectra and transmission curve of the dichromatic mirrors.

    图 3  1050 nm光纤激光放大器结构示意图

    Fig. 3.  Schematic of the 1050 nm fiber amplifier.

    图 4  三路合束实验中单路激光器最高功率时的光谱

    Fig. 4.  Optical spectra of the fiber amplifiers for the three-beam combination experiment.

    图 5  (a)两路激光合束装置示意图和(b)双色镜透射曲线(CL, 凹透镜; PM, 功率计)

    Fig. 5.  (a) Schematic diagram of the dual-beam combining setup; (b) transmission curve of the dichromatic mirror (CL, concave lens; PM, power meter).

    图 6  两路合成实验结果 (a)功率与效率; (b)合成输出光谱和光斑

    Fig. 6.  Results of the dual-beam combining experiment: (a) Optical power and combining efficiency; (b) output spectrum and beam profile.

    图 7  两路合束系统中单路(a), (b)和合束后(c)激光的光束质量测量结果

    Fig. 7.  Measured beam quality of the (a), (b) fiber amplifiers and the (c) dual-beam combined laser.

    图 9  单路激光光束质量测量结果 (a) 1050 nm; (b) 1069 nm; (c) 1085 nm

    Fig. 9.  Measured beam quality of the pre-combining lasers: (a) 1050 nm; (b) 1069 nm; (c) 1085 nm.

    图 10  三路合束激光的(a)光谱和(b)光束质量

    Fig. 10.  Optical spectrum (a) and beam quality (b) of the three-beam combined laser.

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出版历程
  • 收稿日期:  2023-04-23
  • 修回日期:  2023-06-19
  • 上网日期:  2023-07-18
  • 刊出日期:  2023-09-20

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