本文選題：摻鐿光纖激光器　切入點(diǎn)：拉曼光纖激光器　出處：《國(guó)防科學(xué)技術(shù)大學(xué)》2015年博士論文　論文類(lèi)型：學(xué)位論文

【摘要】：全光纖化的光纖激光器具有結(jié)構(gòu)緊湊、效率高、便于熱管理等優(yōu)點(diǎn),在工業(yè)加工、生物醫(yī)學(xué)、激光雷達(dá)、光電對(duì)抗等領(lǐng)域有著廣泛的用途。隨著人們需求的不斷拓展,光纖激光正朝著更高亮度、更高效率以及更廣的光譜覆蓋范圍發(fā)展。光纖激光的增益來(lái)源通常有兩大類(lèi),一類(lèi)是利用實(shí)能級(jí)的躍遷產(chǎn)生的受激輻射,如摻鐿光纖激光器;另一類(lèi)是利用非線(xiàn)性效應(yīng)產(chǎn)生的增益,也叫虛能級(jí)增益,如拉曼激光器。以上兩類(lèi)增益都具有獲得高功率、寬光譜范圍激光的潛力。本文以鐿離子增益、拉曼增益以及兩者的混合增益為研究對(duì)象,分析其在功率提升和波長(zhǎng)轉(zhuǎn)換上的潛力,重點(diǎn)研究混合增益光纖激光器的特性和優(yōu)勢(shì)。相比于摻鐿光纖常規(guī)波段激光,關(guān)于長(zhǎng)波波段激光發(fā)射特性的研究較少,但是該波段激光與高功率拉曼光纖激光器波長(zhǎng)相匹配,并且可以作為混合增益系統(tǒng)的種子源,因此本文分析了長(zhǎng)波長(zhǎng)摻鐿光纖激光器的發(fā)射特性。針對(duì)長(zhǎng)波長(zhǎng)激光在摻鐿光纖中增益較小、容易產(chǎn)生ASE的限制,理論分析了振蕩器增益光纖纖芯直徑、長(zhǎng)度、小信號(hào)吸收系數(shù)、吸收發(fā)射截面、損耗系數(shù),以及輸出耦合光柵反射率和泵浦方式對(duì)激光產(chǎn)生的影響。實(shí)驗(yàn)上對(duì)振蕩器輸出光柵反射率、摻鐿光纖長(zhǎng)度、泵浦源類(lèi)型、光纖損耗等因素在抑制ASE方面的性能進(jìn)行了詳細(xì)討論。通過(guò)理論優(yōu)化和實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì),實(shí)現(xiàn)了16 W的1173 nm、322 W的1120 nm振蕩器單模輸出,都為目前該波段已報(bào)道的采用普通雙包層摻鐿光纖振蕩器輸出的最高功率。進(jìn)一步開(kāi)展了長(zhǎng)波長(zhǎng)激光在摻鐿光纖中的放大研究。從理論上分析了種子功率、端面反饋、光纖參數(shù)對(duì)放大器性能的影響,搭建了1120 nm摻鐿光纖放大器,獲得了309 W的激光輸出,光光效率71.5%。拉曼增益與鐿離子增益相同,是混合增益系統(tǒng)的重要組成部分,為了分析其特性,對(duì)纖芯泵浦的拉曼振蕩器和基于拉曼增益的短腔隨機(jī)光纖激光器展開(kāi)了理論和實(shí)驗(yàn)研究。在纖芯泵浦拉曼振蕩器理論模型的基礎(chǔ)上推導(dǎo)了拉曼振蕩器的閾值公式,并提出利用該公式可以測(cè)量拉曼增益系數(shù);理論分析了光纖長(zhǎng)度、拉曼增益系數(shù)、光纖損耗、輸出耦合光柵反射率、纖芯直徑對(duì)拉曼振蕩器效率的影響,指出光纖長(zhǎng)度和輸出耦合光柵反射率在很大范圍內(nèi)都可以使振蕩器效率最優(yōu),因此優(yōu)化這兩個(gè)參數(shù)可以方便地對(duì)拉曼振蕩器進(jìn)行設(shè)計(jì)。開(kāi)展了纖芯泵浦拉曼振蕩器的實(shí)驗(yàn)研究,獲得了119 W的1173 nm激光輸出,光光效率超過(guò)82%。理論仿真與實(shí)驗(yàn)結(jié)果基本吻合。在基于拉曼增益的短腔隨機(jī)光纖激光器方面,理論分析了隨機(jī)光纖激光器閾值與光纖長(zhǎng)度的關(guān)系;指出短腔隨機(jī)激光器閾值對(duì)寄生反饋較為敏感,因此可以用其判斷實(shí)驗(yàn)中是否存在反饋;數(shù)值計(jì)算表明隨機(jī)光纖激光器的光纖越短可獲得的功率越大。在理論分析的基礎(chǔ)上,設(shè)計(jì)了百瓦級(jí)的高功率隨機(jī)激光,獲得了全開(kāi)腔124 W的1150 nm隨機(jī)激光,光光轉(zhuǎn)換效率79%;半開(kāi)腔112 W的1150 nm隨機(jī)激光,激光器效率84.8%,為目前已報(bào)道的最高功率、最高效率的隨機(jī)光纖激光器。開(kāi)展了高功率隨機(jī)激光的應(yīng)用研究,通過(guò)研究隨機(jī)激光的時(shí)域穩(wěn)定性,指出其可用作高功率放大系統(tǒng)的種子源。用產(chǎn)生的高功率1150 nm隨機(jī)激光泵浦摻鈥光纖振蕩器,獲得23 W的2050 nm激光。對(duì)混合增益光纖激光器展開(kāi)了理論研究。提出了混合增益光纖放大器的概念,建立了基于功率的速率方程模型,重點(diǎn)分析了其在泵浦能量提取、波長(zhǎng)轉(zhuǎn)換、后向拉曼散射抑制上的優(yōu)勢(shì)。并對(duì)其熱分布特性進(jìn)行分析,表明不會(huì)給系統(tǒng)帶來(lái)額外的熱負(fù)載。進(jìn)一步建立了考慮四波混頻的物理模型,分析實(shí)驗(yàn)中可能產(chǎn)生的四波混頻對(duì)多波長(zhǎng)混合增益光纖放大系統(tǒng)的影響,計(jì)算表明:四波混頻會(huì)降低放大器的高階拉曼閾值,但是可以通過(guò)優(yōu)化設(shè)計(jì)使四波混頻控制在可接受的范圍內(nèi),實(shí)現(xiàn)千瓦量級(jí)的長(zhǎng)波長(zhǎng)激光輸出;四波混頻會(huì)使前向輸出光更容易向高階拉曼轉(zhuǎn)換,但是對(duì)后向光影響較小,系統(tǒng)仍能有效抑制后向拉曼散射光。開(kāi)展了高功率混合增益光纖放大器波長(zhǎng)范圍拓展的實(shí)驗(yàn)研究。獲得了732 W的1120 nm激光功率輸出,實(shí)驗(yàn)結(jié)果驗(yàn)證了理論模型的正確性。進(jìn)一步優(yōu)化設(shè)計(jì),利用混合增益光纖放大器實(shí)現(xiàn)了1.52 k W的1120 nm激光,是目前報(bào)道的該波段激光最高功率,并有繼續(xù)提升功率的潛力。為了進(jìn)一步拓展輸出波長(zhǎng)范圍,進(jìn)行了高功率三波長(zhǎng)種子的放大實(shí)驗(yàn),獲得了1178 nm波長(zhǎng)激光已報(bào)道最高功率536 W。建立了三波長(zhǎng)種子放大的理論模型,分析表明通過(guò)優(yōu)化種子功率可在實(shí)驗(yàn)結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上實(shí)現(xiàn)千瓦級(jí)的1178 nm激光輸出,此時(shí)由四波混頻誘發(fā)的高階拉曼比例可小于5%。對(duì)采用多模光纖的混合增益放大器展開(kāi)了研究,重點(diǎn)分析了混合增益光纖放大器對(duì)輸出激光光束質(zhì)量的影響。通過(guò)實(shí)驗(yàn)和理論分析證明在注入種子光束質(zhì)量較好的情況下,利用受激拉曼散射能夠提高輸出光的光束質(zhì)量。多模光纖中的拉曼效應(yīng)存在模式之間不完全重疊的問(wèn)題,因此拉曼相互作用效果與單模光纖不同,提出用模式的功率權(quán)重對(duì)等效拉曼增益系數(shù)進(jìn)行修正的思路,使單模光纖的拉曼散射模型可以用于多模光纖的情況。
[Abstract]:......
【學(xué)位授予單位】：國(guó)防科學(xué)技術(shù)大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2015
【分類(lèi)號(hào)】：TN248

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本文編號(hào)：1617130