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大直径光纤端帽的制作与熔接

发光学报 2015年第7期36卷 801-805页

作者：朱心宇王国政王蓟马威张野张辰陈明长春理工大学理学院电子科学与技术系吉林长春130022 长春德信光电有限责任公司吉林长春130103

为了避免高功率光纤激光器输出的激光对双包层光纤端面造成损伤,设计并制作了光纤端帽。使用新型CO2激光器光纤熔接机完成了双包层光纤与端帽的熔接,研究了双包层光纤与端帽熔接的相关工艺与方法。利用高功率连续激光对端帽的性能进行... 详细信息

为了避免高功率光纤激光器输出的激光对双包层光纤端面造成损伤,设计并制作了光纤端帽。使用新型CO2激光器光纤熔接机完成了双包层光纤与端帽的熔接,研究了双包层光纤与端帽熔接的相关工艺与方法。利用高功率连续激光对端帽的性能进行了测试,实验结果表明,熔接有光纤端帽的双包层光纤可以承受507 W连续激光的输出并且没有发生损伤。熔接有端帽的光纤激光器的斜率效率为64.05%,光束质量与未熔接有端帽时相同。

关键词：激光技术光纤端帽 CO2激光熔接高功率连续光纤激光器

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高功率光纤端帽实现6kW激光输出

强激光与粒子束 2015年第12期27卷 1-2页

作者：周旋风陈子伦侯静王泽锋许晓军国防科学技术大学光电科学与工程学院长沙410073

高功率光纤端帽是kW级光纤激光器必不可少的器件,而实现光纤端帽的低损耗高强度熔接是其关键技术。由于光纤和大尺寸光纤端帽在直径上的巨大差异,二者的熔接不能通过传统熔接机实现。设计并搭建了光纤端帽熔接系统,掌握了多种尺寸的光... 详细信息

高功率光纤端帽是kW级光纤激光器必不可少的器件,而实现光纤端帽的低损耗高强度熔接是其关键技术。由于光纤和大尺寸光纤端帽在直径上的巨大差异,二者的熔接不能通过传统熔接机实现。设计并搭建了光纤端帽熔接系统,掌握了多种尺寸的光纤端帽的熔接工艺,成功用于光纤激光器及光纤合束器的高功率输出。实验上利用单模光端帽实现了3.01kW的激光输出,在未进行主动制冷的情况下温升为7℃/kW。利用多模光纤端帽实现了6.08kW的激光输出,在未进行主动制冷的情况下温升为6℃/kW。

关键词：光纤激光器光纤熔接光纤端帽

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基于光纤端帽的红外宽波段耦合光学系统设计

激光与光电子学进展 2023年第5期60卷 268-273页

作者：陈明亮郝培育孟轩蔡猛光电控制技术重点实验室河南洛阳471000 中国航空工业集团有限公司洛阳电光设备研究所河南洛阳471000

新一代红外对抗技术中,需要将红外高峰值功率激光耦合进红外传能光纤中进行传输。针对红外宽波段、高峰值功率激光进行光纤耦合时存在的问题,设计了一种光纤端帽参与聚焦的消色差耦合光学系统,能够对高峰值功率的2.1~4.6μm红外激光进... 详细信息

新一代红外对抗技术中,需要将红外高峰值功率激光耦合进红外传能光纤中进行传输。针对红外宽波段、高峰值功率激光进行光纤耦合时存在的问题,设计了一种光纤端帽参与聚焦的消色差耦合光学系统,能够对高峰值功率的2.1~4.6μm红外激光进行光纤耦合,并且光纤端帽可以提高光纤端面的损伤阈值。然后,对消色差耦合光学系统进行了详细设计,并选择了最佳三片式消色差玻璃组合ZNS/MGF2/IRG206进行设计,最终在耦合系统焦距为35 mm时,该系统对2.1~4.6μm波段的耦合效率达到92.74%。进一步分析可知,耦合光学系统最佳的焦距范围在35~47 mm,以及焦距在40 mm时,光纤对准最大容差为60μm。

关键词：光学设计耦合光学系统光纤端帽消色差耦合效率

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高功率双包层光纤端帽的研制

高功率双包层光纤端帽的研制

作者：郭威国防科学技术大学

学位级别：硕士

光纤端帽(End cap)是针对高功率光纤激光器和放大器输出端面处理设计的高功率器件,通过对输出光纤的扩束降低输出端的光功率密度,从而保护光纤端面不受损坏。本文从理论和实验两个方面对光纤端帽进行了详细的研究,并探索了光纤端帽的关... 详细信息

光纤端帽(End cap)是针对高功率光纤激光器和放大器输出端面处理设计的高功率器件,通过对输出光纤的扩束降低输出端的光功率密度,从而保护光纤端面不受损坏。本文从理论和实验两个方面对光纤端帽进行了详细的研究,并探索了光纤端帽的关键制作工艺,主要内容如下:一、介绍了光纤激光器的发展历程及光纤端帽在高功率光纤激光器应用中的重要作用,光纤端帽在国内外的发展现状及发展趋势,并分析总结了制作光纤端帽的三项关键工艺。二、实现了无芯光纤端帽的研制。首先数值模拟了激光在无芯光纤端帽内传输时的光斑变化,其次在实验上实现无芯光纤端帽的研制,并成功应用于百瓦量级的光纤激光器或放大器中,最后对其进行了封装。三、基于课题组自行研制的一种可实现玻璃锥棒和光纤的熔接系统,实现了玻璃锥棒光纤端帽的研制,并对其进行了熔接强度、熔接损耗、可承受功率以及输出光束质量的测试,结果显示,玻璃锥棒光纤端帽的强度可承受40克的重力,整体熔接损耗小于4%,在未水冷条件下可承受1kW的功率,最高温度小于40℃。最后实现了玻璃锥棒光纤端帽的封装。四、设计了一种新型的包层光滤除方法——级联滤除包层光的方法,基于此方法达到了均匀耗散热量的目的,从而改进了原有方法中局部温升严重的问题。实验结果表明,该方法可实现30/250μm光纤中150W包层光的滤除,损耗达18dB,且最高温升低于60℃。

关键词：光纤激光器光纤端帽端帽熔接包层光滤除

光纤端帽输出面曲率半径对高斯光束传输特性分析

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光纤端帽输出面曲率半径对高斯光束传输特性分析

2017年光学技术研讨会暨交叉学科论坛

作者：张海波袁志军叶韧漆云凤杨依枫刘恺柏刚何兵周军上海市全固态激光器与应用技术重点实验室中国科学院上海光学精密机械研究所

根据高斯光学矩阵传输理论,推导了曲面光纤端帽的高斯变换矩阵,结合q因子分析了光纤端帽的输出曲面的曲率半径对高斯光束的传输特性。数值分析表明,通过控制曲率半径,可有效地控制输出光斑的发散角。另一方面,可以优化曲率半径和端帽长... 详细信息

根据高斯光学矩阵传输理论,推导了曲面光纤端帽的高斯变换矩阵,结合q因子分析了光纤端帽的输出曲面的曲率半径对高斯光束的传输特性。数值分析表明,通过控制曲率半径,可有效地控制输出光斑的发散角。另一方面,可以优化曲率半径和端帽长度实现光纤端帽的工作距离和束腰半径的优化。本文对提升高功率光纤器件的耦合效率及功率承受能力具有重要的指导意义。

关键词：光纤端帽优化设计输出曲面曲率半径高斯光束传输特性

来源： cnki会议评论

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光纤激光器高功率输出端帽的设计与研制

光纤激光器高功率输出端帽的设计与研制

作者：经逸秋南京理工大学

学位级别：硕士

随着光纤制造工艺和激光器技术的不断进步,光纤激光器的输出功率也在不断地提升,数千瓦级和万瓦级的高功率光纤激光器已应用到工业加工、国防军事等众多领域。光纤激光器在输出高功率激光时,激光输出端的保护是关系激光器安全、稳定工... 详细信息

随着光纤制造工艺和激光器技术的不断进步,光纤激光器的输出功率也在不断地提升,数千瓦级和万瓦级的高功率光纤激光器已应用到工业加工、国防军事等众多领域。光纤激光器在输出高功率激光时,激光输出端的保护是关系激光器安全、稳定工作的关键,目前主要使用光纤端帽作为高功率光纤激光器的输出端。光纤端帽通常是尺寸远大于光纤的熔石英块,其通过熔接的手段与激光器输出光纤连接,在激光传输的过程中对激光扩束以降低激光输出面的功率密度,达到保护激光输出端的目的。在高功率光纤端帽的研发中,端帽的定位和散热是两个难点问题。一方面,在实际应用中光纤端帽常与准直镜配合以得到近乎准直的激光束,光纤端帽与准直镜的相对位置偏差会导致出射激光的准直性和光束质量变差。另一方面,当光纤激光器长时间输出高功率激光时,端帽吸收激光转化的热能在端帽体内不断累积,造成端帽的热形变甚至发生热损伤,进一步导致光纤激光器的损坏。因此,为了保证光纤激光器输出激光具有良好的准直性和光束质量;为了确保光纤激光器工作的安全性、稳定性,光纤端帽的定位和散热是必须解决的关键问题。本文根据激光传输理论、像差理论并结合光束质量的测量原理,仿真分析了端帽和准直镜的定位偏差对出射激光光束质量和准直性的影响规律,设计了通过测试准直镜出射激光光束质量及束腰位置来判断端帽定位是否准确的装置方案。根据热传导和热应力理论,仿真端帽在长时间传输高功率连续激光时的温度场及热应力分布,设计了端帽散热方案并进行了验证实验。设计制作了端帽的各个组件并对端帽进行整体装校及测试。通过输出激光准直性和光束质量的测试,证明自研端帽与国际领先的光纤端帽端帽产品在输出的激光准直性和光束质量指标上水平相当;为了验证自研端帽的承载高功率特性,先后进行了500W、1000W长时间出光测试和5k W的短时间出光测试,端帽温升在工业应用要求范围内。

关键词：高功率光纤激光器光纤端帽光束质量激光热效应

基于端帽结构的光纤激光光束整形及传输控制研究

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基于端帽结构的光纤激光光束整形及传输控制研究

作者：沈放江苏大学

学位级别：硕士

随着激光技术的不断发展,其应用领域也不断扩展,高斯光束作为常规的激光光束形式具有中间能量高边缘能量低的特点,而在一些激光应用领域,如激光加工、激光传能、信息处理、医学等领域中需要光强分布均匀的平顶光束,生物医学、分子学、... 详细信息

随着激光技术的不断发展,其应用领域也不断扩展,高斯光束作为常规的激光光束形式具有中间能量高边缘能量低的特点,而在一些激光应用领域,如激光加工、激光传能、信息处理、医学等领域中需要光强分布均匀的平顶光束,生物医学、分子学、材料科学等都对传播方向上中心光强为零的空心光束迫切需求。因此,研究激光光束的整形成为激光的重要研究方向之一。本文提出基于光纤端帽结构的光束整形技术,主要研究内容如下:1.提出了由凹透镜光纤端帽和梯形扩束器组成的一体化均匀光斑整形系统,首先系统分析了其匀光原理,并推导了整套的系统参数的设计公式,然后针对激光传能领域的应用,研究发现光斑的均匀度随工作距离的增加而降低,而光斑的尺寸随工作距离的增加而增大。采用此方案既可实现不同尺寸的矩形均匀光斑,也可得到其它特殊光斑,如用于激光熔覆中的正六边形均匀光斑整形系统,研究发现输出光斑具有90%以上的均匀度且在一段传输距离内均具有较高的均匀度。最后,在实验室中粘连四片高反射率反射镜形成梯形扩束器,成功搭建了矩形均匀光斑整形系统,验证了系统的可行性和整形效果。2.设计了一种内锥型光纤端帽,其能够产生空心区域光强完全为零的双半高斯空心光束或双光环的特殊空心光束,在激光测距、扫描成像、通信等领域有重要作用。首先在理论上分析了两种光束产生的机理和光强分布特性,发现双半高斯空心光束外侧光强阶跃式降低而内侧光强呈半个高斯分布下降,其光束半径、暗斑尺寸、光束宽度随内锥型光纤端帽锥角的增大而增大,且宽度半径比易于达到WRR端帽输入端到锥形结构的距离的增加呈“此消彼长”的变化。最后提出基于平台形式的内锥形结构以解决尖锥制备难题,并分析了平台对传输效率的影响。3.理论分析了稳定产生空心光束端帽锥角需满足的条件。建立了双半高斯空心光束数学模型,推导了WRR的计算公式,基于MATLAB分析了WRR随各个系统参数的变化规律,发现其可以获得比现有方案低一个数量级的宽度半径比WRR,此时的空心光束具有极大的强度梯度,在中性原子的激光冷却及其冷原子束的激光准直或囚禁中可获得重要应用。

关键词：光纤激光光纤端帽均匀光斑空心光束

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高功率掺镱全光纤激光器关键单元技术研究

高功率掺镱全光纤激光器关键单元技术研究

作者：贺兴龙华中科技大学

学位级别：硕士

近年来,随着高功率光纤激光器的不断发展,关键光纤器件逐渐成为功率提升的主要瓶颈。本文着重展开了对此前关注较少的高功率泵浦耦合器件(光纤合束器、GTWave)和高功率输出器件(包层光滤除器、光纤端帽)的研究。结合理论与实验对这些器... 详细信息

近年来,随着高功率光纤激光器的不断发展,关键光纤器件逐渐成为功率提升的主要瓶颈。本文着重展开了对此前关注较少的高功率泵浦耦合器件(光纤合束器、GTWave)和高功率输出器件(包层光滤除器、光纤端帽)的研究。结合理论与实验对这些器件的设计进行了优化,并提出了新的关键技术。在此基础上,利用自制的掺镱光纤实现了全光纤结构的直接振荡单模2kW高功率激光输出。在泵浦耦合器件方面,首先介绍了常规合束器的发展概况以及光纤合束器中的新工艺,总结了常用的几种组束方式。然后基于最新的CO激光热源LZM-100利用套管法工艺成功制备出7×1合束器,其平均耦合效率为79.6%。在超高功率泵浦耦合方式中,GTWave要优于光纤合束器,于是针对其拉制困难的问题试图从理论入手找到解决办法。在实验验证了GTWave多模耦合模型后,又通过模型计算了泵浦模式对激光效率的影响,同时分析对比了(N+1)与(1+1)型GTWave的激光效率与温度特性。发现(N+1)型(N≥2)GTWave和高阶模泵浦可有效提升非紧贴状态下GTWave的激光效率,为GTWave的设计提出了合理的建议。在输出器件方面,对于包层光滤除器,先介绍了三种不同包层光滤除方法的最新进展,计算了不同折射率胶作用下的包层光滤除效果,为包层光滤除器的设计提供了理论依据。接着在实验中对包层光滤除器进行了改进,对比传统的单级滤模方式,发现改进后的滤模方法在滤除30W功率时温度降低了3℃。最后提出了基于倏逝场效应的包层光滤除新思路。对于光纤端帽,在介绍其原理和常见的结构之后,分析了激光输出发散角对光纤端帽设计的影响。同时通过计算无芯光纤端帽的回光发现输出角度对包层回光造成的泄露损耗较小,对纤芯回光造成的泄露损耗较大,进一步说明了包层光滤除器的重要意义。最后实现了2mm棒状光纤端帽与双包层光纤的熔接,并进行了1.08kW功率下的验证,发现输出结果与无芯光纤端帽几乎相同。此外,还对高功率熔接,高功率散热和高功率安全监测等关键技术展开了研究。首先研究了高功率熔接的质量检测方法,并分析了熔点处的热现象,总结了常见的解决方案。然后分析了高功率光纤激光器的散热技术,并提出了新的模块化水冷方案。建立了一整套高功率光纤激光器安全监测系统。最终在此基础上搭建出2kW单模直接振荡光纤激光器,输出功率最高为2.01kW,斜率效率为82.5%,M为1.39。最高功率输出下未发现模式不稳定与受激拉曼现象。

关键词：高功率光纤激光器单元技术光纤合束器光纤端帽 GTWave 包层光滤除器

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高功率掺镱光纤激光器的研究与优化

高功率掺镱光纤激光器的研究与优化

作者：朱心宇长春理工大学

学位级别：硕士

论文主要对中心波长为1080nm的掺镱双包层连续光纤激光器进行了研究与优化。以镱离子稳态速率方程为基础,利用MATLAB软件进行了数值分析,模拟了增益光纤的长度、泵浦源的波长、腔镜反射率等参数对输出功率的影响。根据模拟的结果得到了... 详细信息

论文主要对中心波长为1080nm的掺镱双包层连续光纤激光器进行了研究与优化。以镱离子稳态速率方程为基础,利用MATLAB软件进行了数值分析,模拟了增益光纤的长度、泵浦源的波长、腔镜反射率等参数对输出功率的影响。根据模拟的结果得到了增益光纤的最佳长度,设计搭建了全光纤结构的掺镱双包层高功率光纤激光器系统。系统采用LD前端泵浦方案,光纤光栅组成谐振腔,掺镱双包层光纤作为增益介质。为了避免高功率激光密度对光纤端面造成损伤,设计并制作了光纤端帽,并利用搭建的高功率连续光纤激光器对光纤端帽的性能进行了测试,同时对高功率连续光纤激光器系统的光束质量进行研究与了优化。实验结果表明,熔接有光纤端帽的连续光纤激光器系统在915nm波长的LD泵浦下,可以获得中心波长为1080nm、功率为507W、斜效率为64.05%的稳定激光输出,x方向与y方向的M2分别为2.10和2.24。

关键词：高功率光纤激光器数值模拟光纤端帽光束质量优化