【摘要】：高功率摻鐿光纖激光器以其高轉(zhuǎn)換效率、高光束質(zhì)量、散熱性能良好、結(jié)構(gòu)緊湊、性能可靠等優(yōu)點(diǎn),在近幾年發(fā)展迅猛,并廣泛應(yīng)用于工業(yè)加工、激光醫(yī)療、軍事對抗、通信等領(lǐng)域。但摻鐿光纖中的光子暗化效應(yīng)嚴(yán)重影響到光纖激光器的功率穩(wěn)定性,阻礙其進(jìn)一步發(fā)展。本論文圍繞摻鐿光纖光子暗化效應(yīng),以光子暗化效應(yīng)機(jī)理及自建平臺(tái)準(zhǔn)確標(biāo)定附加損耗為基礎(chǔ),以最大程度抑制甚至消除光子暗化效應(yīng)為目標(biāo),最終實(shí)現(xiàn)高功率穩(wěn)定輸出的摻鐿光纖激光器。本論文首先從摻鐿光纖基本特性出發(fā),闡述了鐿離子特性、共摻離子、光纖結(jié)構(gòu)等對光纖性能包括數(shù)值孔徑、模場面積、背景損耗、吸收系數(shù)等特征參數(shù)的影響�；诟倪M(jìn)的化學(xué)氣相沉積法結(jié)合溶液摻雜法,介紹了雙包層摻鐿光纖的制備過程,并進(jìn)一步分析了阻擋層和疏松層沉積過程中的氣體組份、流量、反應(yīng)溫度等參數(shù),以及溶液摻雜過程中浸泡時(shí)間和除水工藝對光纖激光性能的影響。在光子暗化效應(yīng)測試手段方面,分析探討了幾種光纖光子暗化效應(yīng)的表征方法,并搭建光譜型測試裝置對光子暗化效應(yīng)誘導(dǎo)附加損耗實(shí)現(xiàn)精確標(biāo)定。闡述并分析了鐿離子濃度和粒子數(shù)反轉(zhuǎn)程度對平衡態(tài)附加損耗的影響。建立了可見光波長與激光波長處附加損耗之間的線性關(guān)系,光子暗化附加損耗在633、702和810 nm波長處的數(shù)值分別是波長1041 nm損耗數(shù)值的46.08、25.69和8.73倍。探討了改善光子暗化效應(yīng)的可能途徑。首先通過在摻鐿光纖纖芯摻雜鈰、鈉、鋰離子實(shí)現(xiàn)對光子暗化效應(yīng)的抑制效果,鐿鈰共摻光纖在濃度比例4.5:1時(shí)可以消除約50%的附加損耗并呈現(xiàn)10%的自漂白效應(yīng),但鈰離子摻雜會(huì)導(dǎo)致光纖性能有所惡化;鈉離子或鋰離子共摻可抑制超過30%的附加損耗,并且該離子的引入不影響摻鐿光纖的數(shù)值孔徑、斜率效率和背景損耗,可作為共摻手段抑制光子暗化效應(yīng)的優(yōu)選方案。其次,提出以793 nm泵浦源對光子暗化效應(yīng)附加損耗進(jìn)行光漂白,得到高達(dá)68%的損耗消除,且該漂白作用具有可重復(fù)性;研究了被漂白暗化損耗與漂白功率之間的正相關(guān)關(guān)系;采用915 nm和793 nm同時(shí)泵浦摻鐿光纖,可實(shí)現(xiàn)80%的光子暗化附加損耗抑制效果;發(fā)現(xiàn)鈰離子共摻能夠加速摻鐿光纖的光漂白進(jìn)程,在180分鐘793 nm泵浦時(shí)間內(nèi),Yb/Al/Ce光纖在702和810 nm波長處,被光漂白的暗化損耗比例分別為30%和37.5%。最后,討論了對摻鐿光纖載氫處理后的光子暗化效應(yīng)水平,并在千瓦級高功率水平下對該抑制效果進(jìn)行了拷機(jī)驗(yàn)證。證明該方法幾乎能夠完全消除光子暗化效應(yīng),使摻鐿光纖在1630 W的高功率輸出水平下穩(wěn)定維持一小時(shí),并保持光束質(zhì)量1.69,實(shí)現(xiàn)了低光子暗化效應(yīng)摻鐿光纖高功率穩(wěn)定輸出。基于上述抑制光子暗化效應(yīng)的方法,驗(yàn)證了光子暗化效應(yīng)色心形成機(jī)理的多樣性。其中,離子共摻及載氫處理印證了電荷轉(zhuǎn)移吸收帶這一暗化機(jī)理;深入研究了Tm雜質(zhì)在光子暗化效應(yīng)產(chǎn)生過程中的作用機(jī)理,認(rèn)為Tm雜質(zhì)是誘發(fā)光子暗化相關(guān)色心的誘因之一。
【圖文】：

華 中 科 技 大 學(xué) 博 士 學(xué) 位 論 文4圖1.2 摻鐿光纖激光器的三種泵浦方式原理示意圖 (a) 前向泵浦; (b) 后向泵浦; (c) 雙向泵浦為了增加泵浦光的耦合效率，摻鐿光纖基本采用雙包層結(jié)構(gòu)。如圖1.3所示，纖芯區(qū)域?qū)嵤╄O離子摻雜，同時(shí)伴隨有Al3+、P5+等共摻離子，折射率較高；內(nèi)包層為純石英基質(zhì)，折射率稍低于纖芯，并與纖芯形成折射率差進(jìn)而構(gòu)成波導(dǎo)結(jié)構(gòu)；外包層則采用更低折射率聚合物，大大提升內(nèi)包層數(shù)值孔徑，增強(qiáng)其收光能力。該雙包層結(jié)構(gòu)可使多模泵浦光在內(nèi)包層傳播，在光線不斷地全內(nèi)反射過程中多次經(jīng)過纖芯并被鐿離子吸收

獲得了1090 nm處2140 W的放大激光輸出，光率效率高達(dá)86.9%，達(dá)到了國際領(lǐng)先水平[39]。摻鐿光纖激光的研究熱點(diǎn)，由于涉及到國防軍事等領(lǐng)域，其最新研究成果雖單纖萬瓦功率的突破，逐漸接近甚至超越國際水平。暗化效應(yīng)暗化效應(yīng)的表現(xiàn)國制造2025規(guī)劃的提出和我國智能制造技術(shù)產(chǎn)業(yè)的急劇發(fā)展光器應(yīng)用領(lǐng)域的不斷拓展，對激光器提出了在高光束質(zhì)量、穩(wěn)定運(yùn)轉(zhuǎn)的要求。然而隨著摻鐿光纖激光器運(yùn)行時(shí)間的逐漸率出現(xiàn)一定程度的下降，且不可恢復(fù)。如圖 1.4 所示[40]的功（Photodarkening，，PD）效應(yīng)，該效應(yīng)已經(jīng)成為限制光纖激光要技術(shù)瓶頸。
【學(xué)位授予單位】：華中科技大學(xué)
【學(xué)位級別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2018
【分類號】：TN248

【參考文獻(xiàn)】

相關(guān)期刊論文 前10條

1 肖虎;冷進(jìn)勇;張漢偉;黃良金;郭少鋒;周樸;陳金寶;;2.14kW級聯(lián)泵浦光纖放大器[J];強(qiáng)激光與粒子束;2015年01期

2 劉澤金;冷進(jìn)勇;郭少鋒;王文亮;黃良金;曹澗秋;司磊;許曉軍;陳金寶;;全光纖結(jié)構(gòu)2kW準(zhǔn)單模光纖激光器[J];中國激光;2013年09期

3 張利明;周壽桓;趙鴻;馮宇彤;朱辰;李堯;王雄飛;張昆;張大勇;;1kW單模全光纖激光器實(shí)驗(yàn)研究[J];紅外與激光工程;2012年11期

4 段開椋;趙保銀;趙衛(wèi);王屹山;周良;;1000W全光纖激光器[J];中國激光;2009年12期

5 周軍;樓祺洪;朱健強(qiáng);何兵;董景星;魏運(yùn)榮;張芳沛;李進(jìn)延;李詩愈;趙宏明;王之江;;采用國產(chǎn)大模場面積雙包層光纖的714W連續(xù)光纖激光器[J];光學(xué)學(xué)報(bào);2006年07期

6 李晨;閆平;陳剛;鞏馬理;;采用國產(chǎn)摻鐿雙包層光纖的光纖激光器連續(xù)輸出功率突破700W[J];中國激光;2006年06期

7 樓祺洪,周軍,朱健強(qiáng),薛冬,孔令峰,李進(jìn)延,李詩愈,董景星,魏運(yùn)榮,吳中林,葉震寰,凌磊,王之江;國產(chǎn)雙包層摻鐿光纖實(shí)現(xiàn)440W的連續(xù)高功率激光輸出[J];中國激光;2005年01期

8 閆平,鞏馬理,袁艷陽,歐攀,崔瑞禎;雙端包層抽運(yùn)光纖激光器實(shí)現(xiàn)137W激光輸出[J];中國激光;2004年01期

9 樓祺洪,周軍,朱健強(qiáng),吳中林,孔令峰,董景星,葉震寰,魏運(yùn)榮,王之江;50-watt ytterbium-doped double-clad fiber laser[J];Chinese Optics Letters;2003年10期

10 閆平,鞏馬理,歐攀,韋文樓,崔瑞貞,柳強(qiáng),賈維溥;10-W cladding-pumped fiber laser with single transverse mode output[J];Chinese Optics Letters;2003年06期

相關(guān)博士學(xué)位論文 前2條

1 廖雷;高功率摻鐿光纖激光器關(guān)鍵技術(shù)研究[D];華中科技大學(xué);2016年

2 陳瑰;用于高功率激光器和放大器的摻鏡光纖研究[D];華中科技大學(xué);2014年

本文編號：2599299