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光纤激光器在光纤通信、激光加工等领域具有广泛的应用。光纤Bragg光栅(FBG)是构成全光纤激光器的关键器件。FBG飞秒激光制备技术适用于各种材料的光纤,具有加工工艺简单、可制备耐高温FBG等优点,在光纤激光器中已取得广泛应用。基于此,介绍了FBG飞秒激光制备技术的方法、特点及其在光纤激光器应用中的优势,展示了FBG飞秒激光制备技术在不同波长范围和类型的光纤激光器中的应用研究进展,最后对未来适用于光纤激光器的FBG飞秒激光刻写技术的发展方向进行展望。

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飞秒激光 光纤布拉格光栅 激光器 微纳加工

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光纤激光器在光纤通信、激光加工等领域具有广泛的应用。光纤Bragg光栅(FBG)是构成全光纤激光器的关键器件。FBG飞秒激光制备技术适用于各种材料的光纤,具有加工工艺简单、可制备耐高温FBG等优点,在光纤激光器中已取得广泛应用。基于此,介绍了FBG飞秒激光制备技术的方法、特点及其在光纤激光器应用中的优势,展示了FBG飞秒激光制备技术在不同波长范围和类型的光纤激光器中的应用研究进展,最后对未来适用于光纤激光器的FBG飞秒激光刻写技术的发展方向进行展望。

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飞秒激光 光纤布拉格光栅 激光器 微纳加工

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建立了适用于2.8μm增益开关掺Er^3+的氟化物光纤(Er∶ZBLAN)激光器的计算模型,并进行了数值模拟。模拟发现存在最佳输出镜透过率使得输出功率最大,同时耦合率也影响脉宽、峰值和脉冲形态。模拟了抽运功率对脉冲形态的影响,发现弱抽运时两个抽运周期内仅出现一个信号光脉冲,而强抽运时一个抽运周期内出现多个信号光脉冲的现象。通过模拟发现了若干未被实验报道的新现象和规律,如耦合率对输出功率、能量、脉冲形态的影响规律;抽运功率阈值附近会出现与抽运周期一致的弱信号脉冲等。研究表明,在适当耦合率和抽运功率时,2.8μm Er∶ZBLAN激光器可以实现稳定增益开关脉冲输出。

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Er∶ZBLAN 激光器 脉冲激光器 增益开关 中红外

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辊轴是高速线材轧机的重要部件,轴颈表面易磨损,为了延长辊轴的服役寿命,可以对磨损后的轴颈表面进行激光熔覆再制造。但是辊轴表面硬度较高,激光熔覆高硬度粉末易产生大量裂纹,而梯度熔覆则可在一定程度上解决此问题。前人关于梯度熔覆的研究多集中于理论及工艺阶段,鲜见应用于实际修复中。本工作利用4 kW光纤激光器在辊轴材料45^#钢基体表面逐层熔覆了Fe1合金粉末和Fe5合金粉末,前者为过渡层,后者为强化层。利用渗透探伤检测了涂层表面的缺陷情况,运用OM、SEM和EDS等手段分析了熔覆层的显微组织及元素含量变化,采用XRD技术分别分析了各层的物相组成,利用显微硬度计测试了涂层的显微硬度。结果表明,梯度熔覆层表面形貌良好,无宏观裂纹,内部组织致密无缺陷。各层之间呈现良好的冶金结合,过渡层与强化层结合处的晶粒出现了细化,上层晶粒比下层晶粒细小。XRD分析表明,过渡层主要由奥氏体组成,强化层由奥氏体和马氏体两相组成。熔覆层硬度呈典型的梯度分布,强化层平均硬度为566.12HV 0.2,达到了辊轴的硬度要求,过渡层平均硬度为385.98HV 0.2,起到了很好的缓冲作用。最后,推导出了激光熔覆时机械臂与轴颈转速之间的关系模型,取得了较好的修复效果。

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轧机辊轴 激光熔覆 梯度涂层 铁基合金 物相组成 组织性能

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3-μm波段中红外激光光源在激光医疗、中远红外激光产生、环境污染有害气体检测以及激光光谱学等领域有着重要的应用前景。与中红外固体和气体激光器相比，中红外光纤激光器具有光束质量好、体积小、转换效率高、可调谐性好等优点受到研究人员青睐。相比较连续激光，脉冲激光因具有更高峰值功率和大脉冲能量等特点，其应用领域更为广泛。目前，用于产生中红外光纤激光的增益介质主要有稀土掺杂的氟化物光纤和硫化物光纤，其中成分为53%ZrF4，20%BaF2，4%LaF3，3%AlF3，20%NaF（ZBLAN）的氟化物光纤使用最为广泛。然而，ZBLAN光纤特殊的材料特性使得该类光纤器件（包括波分复用器，分束器等）并未实现成熟商品化，如何获得高功率的中红外3-μm 波段脉冲光纤激光是目前国际上的研究热点，具有较好的学术意义和应用价值。本文针对氟化物光纤特殊物理性质，并结合产生激光脉冲的三种途径，从调Q、锁模、增益开关三个方面对高掺Er3+:ZBLAN中红外光纤激光脉冲工作机制开展了理论和实验研究，主要研究内容和创新点如下： 在调Q脉冲输出方面，主要工作有两个方面：一是基于半导体可饱和吸收镜(SESAM)开展了半导体激光器（LD）泵浦的Er3+:ZBLAN光纤激光器被动调Q输出研究。理论推导了基于SESAM的中红外3-μm光纤激光器功率瓦级纯被动调Q输出的参数条件，实验获得了平均功率1 W以上的纯被动调Q中红外光纤激光脉冲输出，激光器最大输出平均功率为1.01 W，斜率效率为17.8%，对应的脉冲工作频率为146.3 kHz，脉宽315 ns，脉冲峰值功率约为21.9 W。 二是开展了主动调Q中红外Er3+:ZBLAN光纤激光器数值模拟与实验研究。基于粒子数速率方程理论，数值模拟了中红外主动调Q Er3+:ZBLAN光纤激光器动力学过程，分析了激光器各参数对主动调Q脉冲特性影响规律。提出了基于色散腔抑制主动调Q Er3+:ZBLAN光纤激光脉冲分裂的方法，实现了无脉冲分裂下激光脉冲能量和峰值功率显著提升，并获得了波长可调谐激光脉冲输出。在激光器工作频率为10 kHz时，采用金镜和闪耀光栅反馈分别获得了最大单脉冲能量0.13 mJ和0.15 mJ，最小脉宽127.3 ns 和92.6 ns，峰值功率为1.1 kW 和1.6 kW的主动调Q脉冲输出，并且在闪耀光栅反馈下，激光器工作波长在2.71~2.83 μm范围内可调，峰值功率(1.6 kW)和单脉冲能量(150 µJ)比之前报道的（0.9 kw和100 µJ）分别提高了80%和50%，该结果可为更长波长的中红外激光产生提供一种新的高效泵浦方式。 在锁模输出方面，提出了基于SESAM和闪耀光栅相结合产生波长可调谐中红外光纤激光高稳定被动锁模脉冲新方法，解决了谐振腔精细调节难题，提高了连续锁模稳定性，并实现锁模脉冲波长宽范围调谐。激光器最大平均功率约200 mW，脉宽为6.4 ps，激光器工作波长在2.71~2.82 µm范围内可调，该结果可为高功率中红外超短脉冲MOPA放大提供波长可调种子源。构建了高功率被动锁模中红外光纤激光器实验平台，通过对SESAM进行一定的冷却防护，获得了最大平均功率为3.06 W的中红外3-m波段被动锁模光纤激光输出。 在增益开关脉冲输出方面，基于粒子数速率方程理论，数值模拟了增益开关 Er3+:ZBLAN光纤激光器动力学过程，分析了激光器各参数对增益开关脉冲特性影响规律。构建了基于脉冲调制泵浦和闪耀光栅的增益开关脉冲输出实验平台，实验研究了中红外Er3+:ZBLAN光纤激光器增益开关工作特性，探讨了选模元件闪耀光栅对提升增益开关中红外光纤激光脉冲峰值功率的机理，获得了波长可调谐的增益开关脉冲输出，观察到并解释了中红外3-μm光纤激光器增益开关自锁模现象。

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Er3+:ZBLAN 被动锁模 调Q 可调谐 增益开关 中红外光纤激光器

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近年来，随着全球对环境污染和能源危机问题的日益重视，发展轻量化新能源汽车作为未来汽车产业的发展方向已经被上升到国家战略的高度。轻量化新能源汽车关键材料（如轻量化材料镁合金、铝合金和导电材料紫铜等）的优质高效焊接成为了目前的研究热点。大功率光纤激光器的迅速发展为这些关键材料焊接结构的制造提供了一种可在开放环境中进行高效精密焊接的手段。但也面临着许多新的挑战。“小孔效应”、“激光束在小孔内多次反射”和“壁面聚焦效应”是深受制造业青睐的激光深熔焊的重要物理现象。但是当金属材料对激光的吸收率偏低时深熔焊中容易出现以下问题，严重影响加工的效率和质量：1）出现“小孔效应”所需要达到的临界激光功率显著增大；2）“激光束在小孔内多次反射”结束后仍有相当多的激光能量未被吸收而逃逸到环境中，焊接过程热效率显著减小；3）低吸收率和“壁面聚焦效应”导致小孔内表面上部所吸收能量的占比减小、下部所吸收能量的占比增大，激光能量在孔深方向的分布严重不均衡，引起小孔和熔池稳定性恶化。针对上述关键问题，本文选择镁合金、紫铜为试验材料，对其激光深熔焊接热效率和稳定性的调控措施与调控机理进行了一系列的试验和理论研究，通过电弧辅助、负压焊接和激光功率调制，实现了形成“小孔效应”临界激光功率的降低、“激光束在小孔内多次反射”结束后逃逸能量的吸收利用和孔深方向上激光能量分布严重不平衡现象的有效抑制。论文主要开展和完成的工作如下： 1）提出了一种基于半三明治试样的激光深熔焊接小孔和熔池瞬态行为高速摄影观测试验方法，实现了对激光深熔焊小孔和熔池动态行为的实时观察。该试样由低反射率材料、高反射率材料和高温玻璃组成，焊接时激光束沿玻璃/金属界面扫描，从低反射率材料一侧进入高反射率材料，采用高速相机从玻璃一侧实时监测记录小孔和熔池动态演变过程；焊后根据低反射率材料小孔孔深的极值确定出瞬时激光功率极值的相位，实现了对激光功率波形与高反射率材料中小孔孔深演变过程的同步对比分析。 2）搭建了功率调制激光焊接实验平台，采用正交试验分别获得了常功率激光焊工艺参数与熔深之间的定量关系、功率调制激光焊工艺参数与熔深之间的定量关系；发现在平均功率不变的条件下通过激光功率调制可使焊缝熔深增大约50%；和常功率焊接相比，功率调制激光焊接中瞬时功率大于平均功率的半周期的存在会增大小孔深度，并且这一小孔深度能够在一段时间内维持存在，有利于增加激光束在小孔内反射次数，因此提高了焊缝熔深和焊接过程热效率；解析法分析的结果表明调制焊中孔深呈阶梯状变化，孔深进一步增大所需的小孔底部临界能量密度远大于维持小孔所需的小孔底部临界能量密度，因此瞬时功率开始减小后大深宽比小孔仍能维持存在一段时间。 3）搭建了负压环境激光焊接实验平台，试验结果表明负压环境下焊缝熔深最大可以增大至常压激光焊的10倍；但是负压激光焊时小孔和熔池稳定性变差，表现为小孔后壁局部区域有凹陷/褶皱形貌出现并且沿孔深方向运动，最终导致焊缝上表面出现驼峰形貌、焊缝下部局部区域熔宽显著增大现象；发现对激光功率调制后，小孔后壁局部区域凹陷/褶皱现象被抑制、驼峰焊道和焊缝下部局部区域熔宽显著增大现象明显减轻；分析认为瞬时功率大于平均功率的半周期内，当深度大于常功率焊接孔深的大深宽比小孔形成后，瞬时功率将开始下降，可以缓解激光能量在小孔底部过度集中的问题，从而减轻了激光能量在孔深方向分布严重不平衡的问题、改善了小孔稳定性。 4）搭建了激光-电弧复合焊接实验平台，优化了复合焊接头坡口形状、尺寸及焊接参数，首次实现了8 mm厚T2紫铜对接接头的不预热单道全穿透激光-MIG电弧复合焊，获得成形好无缺陷的接头；在尝试通过激光功率调制进一步提高紫铜复合热源焊接的熔深时，发现由于MIG电弧和熔滴过渡冲击作用的不稳定，很难达到预期目的；因此，选用以熔滴过渡平稳、对熔池冲击小而著称的CMT电弧作为辅助热源，并首次将激光功率调制应用于激光-CMT电弧复合焊，开展了4 mm厚T2紫铜对接接头的不预热单道CMT辅助激光焊接试验；研究揭示了激光功率调制参数对焊接过程热效率和稳定性的影响规律及机理，获得了成形好无缺陷的4 mm厚T2紫铜不预热单道全穿透焊对接接头。 通过上述研究，本文深入、系统地探讨了红外激光用于紫铜、镁合金等高反射率材料焊接时热效率低、稳定性差等问题的控制措施和调控机理，获得了高效、优质焊接接头的成形工艺条件，对于实现高反射率材料的优质高效激光焊接，提高轻量化新能源汽车关键材料关键构件的焊接质量具有重要的理论价值与实际指导意义。

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高反射率材料 功率调制 激光焊 热效率 稳定性

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本发明公开了一种光纤透镜的飞秒激光加工方法，包括以下步骤：利用聚焦的飞秒激光在光纤上依照待制备透镜轮廓进行扫描，激光焦点辐照区域发生材料改性或者刻蚀去除；将处理后的光纤端面部分浸入氢氟酸溶液，通过对改性区域材料的选择腐蚀去除，使透镜轮廓外的光纤脱离形成光纤透镜原型；控制腐蚀时间，使获得的光纤透镜原型的表面趋向光滑，形成光纤透镜。本发明方法加工工序简单，制备光纤透镜的形貌灵活，加工中不存在热效应，可在光纤端面制备各种形貌的凸面和凹面光纤透镜，解决了现有制备方法中存在应力破坏和热烧蚀变形问题，可用于光纤传感、光纤激光器等领域等需要光纤耦合的领域。

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本发明公开了一种耐高温超短腔分布反射式单频光纤激光器及其制作方法，包括激光器泵浦源、有源光纤、刻写在有源光纤上的高反射率普通光纤布拉格光栅和倾斜光纤布拉格光栅、波分复用器、光隔离器，高反射率普通光纤布拉格光栅和倾斜光纤布拉格光栅分别作为谐振腔高反射率腔镜和输出腔镜，通过选择倾斜光纤布拉格光栅的倾角设定输出腔镜的反射率，高反射率普通光纤布拉格光栅和倾斜光纤布拉格光栅利用飞秒激光相位掩模法在有源光纤纤芯上分别通过垂直和倾斜扫描刻写而成。本发明可避免谐振腔中存在无源光纤，保证单频输出时高增益并最大限度减小谐振腔腔长，采用飞秒激光刻写可以适用于各种有源光纤且制备出的光纤激光器适用于550℃以内的高温环境。

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本发明公开了一种短直腔单偏振单纵模光纤激光器及其制备方法，包括：有源光纤上刻写有第一光纤布拉格光栅和第二光纤布拉格光栅，第一光纤布拉格光栅用于形成高反腔镜，第二光纤布拉格光栅用于形成输出腔镜；有源光纤刻写有第二光纤布拉格光栅的一端与波分复用器的公共端相连接；第一光纤布拉格光栅的慢(快)轴与第二光纤布拉格光栅的快(慢)轴平行且对应于同一偏振模，第一光纤布拉格光栅的慢轴对应的布拉格反射峰波长与第二光纤布拉格光栅的快轴对应的布拉格反射峰波长相等，偏振与其正交方向的布拉格波长反射峰分离。本发明能够在有源光纤上利用飞秒激光相位掩模法直接制作短直腔单偏振单纵模光纤激光器。

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本申请涉及激光诊断技术领域，尤其涉及一种可选双脉冲模式的光纤LIBS探测系统及方法，该系统包括集成光纤激光器、光纤LIBS探头、控制检测模块和光纤传输模块；本申请运用所述系统通过所述方法获得不同程度双脉冲增强的等离子体发射光谱信号，并可通过改变遮光板的位置和调节副探头在导轨上的位置来改变主脉冲激光和副脉冲激光的输出激光时序来切换四种双脉冲光纤LIBS探测模式从而多方位的对待测样品进行检测，可以得到明显的特征谱线从而对待测样品的元素种类和含量进行准确的分析。能够减少基质效应对检测的影响，重复性高，光谱信噪比高，分析速度快，测量过程安全可靠，元素检测限高，能够进行远程在线监测。

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