發(fā)布時(shí)間：2018-07-04 17:21

  本文選題：光纖激光器 + 光纖合束器��； 參考：《國(guó)防科學(xué)技術(shù)大學(xué)》2015年博士論文

【摘要】：光纖激光器具有轉(zhuǎn)換效率高、光束質(zhì)量好、熱管理方便及結(jié)構(gòu)緊湊等優(yōu)點(diǎn),在近幾年得到了飛速發(fā)展,已在工業(yè)制造和國(guó)防安全等領(lǐng)域取得了廣泛的應(yīng)用,同時(shí)也是未來(lái)高功率激光發(fā)展的重要方向之一。光纖合束器是實(shí)現(xiàn)高功率光纖激光的核心元器件,在單臺(tái)激光器中可將多個(gè)高功率泵浦源輸出的功率進(jìn)行合成為光纖激光器提供更高的泵浦功率。更為重要的是,光纖合束器可將多個(gè)中等功率的光纖激光器進(jìn)行功率合成,以獲得更高功率的光纖激光輸出,徹底解決單根光纖激光器由于非線性效應(yīng)、光纖端面損傷、熱透鏡效應(yīng)等因素存在功率瓶頸的限制。攻克光纖合束器的關(guān)鍵技術(shù),實(shí)現(xiàn)高效率高功率光纖功率合束器研制,為獲得大功率光纖激光奠定強(qiáng)有力的技術(shù)和光纖器件支撐,已成為當(dāng)今光纖激光領(lǐng)域亟需解決的關(guān)鍵問(wèn)題�；诖�,本論文圍繞大功率光纖合束器的研制展開(kāi)了全面的理論與實(shí)驗(yàn)研究,主要內(nèi)容包括:全面回顧了各種光纖合束器的發(fā)展歷史,尤其是在近年來(lái)取得的飛速發(fā)展及其在光纖激光器屢屢取得重大突破過(guò)程中發(fā)揮的關(guān)鍵作用,闡明了光纖合束器對(duì)于高功率光纖激光器發(fā)展的重要意義,提出了開(kāi)展光纖合束器關(guān)鍵技術(shù)攻關(guān)研究,尤其是研究光纖激光經(jīng)合束器合成后,在獲得高功率光纖激光輸出的同時(shí)如何實(shí)現(xiàn)高光束質(zhì)量。詳細(xì)介紹了單根光纖拉錐后的模場(chǎng)分布,闡述了纖芯模式到包層模式的轉(zhuǎn)化過(guò)程,利用光束傳輸法分析了多根光纖熔融合束拉錐過(guò)程中的模場(chǎng)變化情況,介紹了制作高效光纖合束器所遵循的兩個(gè)基本準(zhǔn)則——絕熱拉錐和亮度守恒,模擬計(jì)算了這兩個(gè)準(zhǔn)則對(duì)于合束器傳輸效率的影響。詳細(xì)說(shuō)明了光纖合束器的制作流程及關(guān)鍵技術(shù),通過(guò)長(zhǎng)期的探索嘗試,實(shí)現(xiàn)并掌握了制作光纖合束器的關(guān)鍵技術(shù),包括多根光纖緊密組束、組束后任意直徑和長(zhǎng)度的低損耗熔融拉錐、熔錐光纖束的切割及與輸出光纖的低損耗熔接等,這些技術(shù)的掌握為各種不同類型光纖合束器的制作奠定了基礎(chǔ)、提供了技術(shù)支撐�；趦蓚�(gè)基本準(zhǔn)則建立了泵浦合束器傳輸損耗理論模型,分析了拉錐比例、合束拉錐區(qū)長(zhǎng)度、錐腰區(qū)域長(zhǎng)度、光纖束形變對(duì)光束傳輸和損耗的影響。結(jié)果表明:在拉錐比例滿足亮度守恒準(zhǔn)則的情況下,合束拉錐區(qū)域越長(zhǎng),傳輸效率越高;錐腰區(qū)域越短,傳輸效率越高�；谡莆盏闹谱鞅闷趾鲜鞯年P(guān)鍵技術(shù),制作了不同型號(hào)的泵浦合束器,均獲得了非常高的傳輸效率及高功率的合束輸出:兩種輸入光纖為105/125μm的7×1泵浦合束器均獲得了400 W以上的功率輸出,傳輸效率均大于98%,另一種輸入光纖為220/242μm的7×1泵浦合束器獲得了3.81 kW的功率輸出,傳輸效率為98.4%。建立了功率合束器模式的傳輸和轉(zhuǎn)化模型,定量分析了熔錐光纖束占空比的大小、制作方法的選擇、輸出光纖纖芯直徑大小以及輸入臂數(shù)量對(duì)于功率合束器最終輸出光束質(zhì)量的影響,研究結(jié)果表明:當(dāng)熔錐光纖束的占空比盡可能小、輸入光纖束盡可能平行排列、輸出光纖的芯徑越小、輸入臂數(shù)量越少時(shí),功率合束器的光束質(zhì)量越好�；诶碚摲治龊湍M計(jì)算的結(jié)果,分別實(shí)現(xiàn)了輸出光纖為100μm和50μm的N×1功率合束器,傳輸效率均大于99%,其中輸出光纖為100μm的7×1功率合束器單臂可承載500 W的功率輸出。制作了多種功率合束器并對(duì)效率和光束質(zhì)量進(jìn)行了檢測(cè),驗(yàn)證了所得結(jié)論的正確性。設(shè)計(jì)并制作了可適用于寬譜功率合成的3×1功率合束器,成功實(shí)現(xiàn)了三路超連續(xù)譜光源的合束輸出,輸出功率為202 W,整體效率96.6%,開(kāi)辟了超連續(xù)譜獲得高功率輸出的新方法。
[Abstract]:Fiber laser has the advantages of high conversion efficiency, good beam quality, convenient heat management and compact structure. It has been developed rapidly in recent years. It has been widely used in the fields of industrial manufacturing and national defense security. It is also one of the important directions for the development of high power laser in the future. Fiber bundle is the realization of high power fiber excitation. The core component of light can synthesize the output power of multiple high power pump sources in a single laser to provide higher pump power for the fiber laser. Because of the nonlinear effect, the damage of the fiber end face and the thermal lens effect, the root fiber laser has the limitation of the power bottleneck. The key technology of the optical fiber bundle is to achieve the high power and high power fiber power beam splitter. It has become a powerful technology and fiber optic device support for the high-power fiber laser. It has become the fiber optic fiber. In this paper, a comprehensive theoretical and experimental research is carried out on the development of high-power fiber optic bundles. The main contents include: a comprehensive review of the development history of all kinds of fiber bundles, especially the rapid development in recent years and the great breakthroughs in fiber lasers. The key role played in the process is clarified the important significance of the optical fiber bundle for the development of high power fiber laser, and the key technologies to develop the optical fiber bundle are put forward, especially when the optical fiber laser beam is synthesized and the high beam quality is realized while the high power fiber laser output is obtained. The distribution of the mode field after the single fiber taper is presented, and the transformation process of the core mode to the cladding mode is expounded. The change of the mode field in the process of multi fiber fused tapering is analyzed by the beam transmission method. The two basic criteria, adiabatic taper and the conservation of brightness, are introduced. The influence of the two criteria on the transmission efficiency of the beam closing device. The fabrication process and key technologies of the optical fiber bundle are described in detail. Through a long period of exploration and attempt, the key technologies of the fiber bundle are realized and mastered, including the dense fiber bundles, the low loss fused tapers of any diameter and length after the group beam, the fused taper fiber bundle. Cutting and low loss fusion with output fiber, these techniques have laid the foundation for the fabrication of various types of fiber bundles and provide technical support. Based on two basic criteria, a theoretical model of the transmission loss of the pump beam splitter is established. The ratio of the taper, the length of the conical taper area, the length of the cone waist region, the beam shape of the optical fiber are analyzed. The effect of change on the transmission and loss of the beam shows that the longer the tapering ratio is, the longer the beam cone region is, the higher the transmission efficiency is, the shorter the cone waist region is, the higher the transmission efficiency. The transmission efficiency and high power beam closing output: two kinds of 7 x 1 pumped beam splitters with input fiber of 105/125 mu m all gain more than 400 W power output, the transmission efficiency is more than 98%. The other type of 7 * 1 pumping unit with input fiber is 220/242 mu m, and the power output of 3.81 kW is obtained. The transmission efficiency is 98.4%. and the power beam splitter mode is set up. The size of the duty ratio of the taper fiber bundle, the selection of the fabrication method, the effect of the output fiber core diameter and the number of the input arms on the final output beam quality of the power beam splitter are quantitatively analyzed. The results show that the duty ratio of the conical fiber bundle is as small as possible, and the input fiber bundle is as parallel as possible. The smaller the core diameter of the output fiber, the less the number of input arms, the better the beam quality of the power beam splitter. Based on the theoretical analysis and simulation results, the output fiber is 100 m and 50 m N x 1 power beam splitter respectively, the transmission efficiency is more than 99%, of which the 7 x 1 power beam of the output fiber is 100 mu m can bear 500 W single arm. The power output of a variety of power bundles is made and the efficiency and beam quality are detected. The correctness of the conclusion is verified. A 3 x 1 power beam splitter suitable for wide spectrum power synthesis is designed and produced. The output of the three road supercontinuous spectral light source is successfully realized, the output power is 202 W and the overall efficiency is 96.6%. A new method to obtain high power output from supercontinuum.
【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
【分類號(hào)】：TN248

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本文編號(hào)：2096803