【摘要】：光纖激光作為新一代的高能激光光源,具有光束質(zhì)量好、電光轉(zhuǎn)換效率高等顯著優(yōu)點,但單纖輸出亮度受到非線性效應、模式不穩(wěn)定性等因素的限制。功率合成技術(shù)是突破單纖功率限制,獲得高能激光輸出的有效手段。與其他合成方式相比,光譜合成技術(shù)具有系統(tǒng)相對簡單、易定標放大等特點,可在提高總輸出功率的同時保持較高的光束質(zhì)量,并具有較高的合成效率,是一種高效優(yōu)質(zhì)的功率合成技術(shù)。光譜合成光源有望在短期內(nèi)實現(xiàn)高亮度輸出,可在國防、工業(yè)加工、基礎(chǔ)科學研究等多領(lǐng)域得到應用。論文對近年來幾何拼接、相干合成、光譜合成等激光光束合成技術(shù)途徑的進展進行了分析與回顧,從合成子束技術(shù)要求、合成光束質(zhì)量、效率和可定標放大能力等方面做了對比,重點比較了幾種不同的光譜合成方案。研究表明,基于雙光柵的光纖激光光譜合成方案有較好的發(fā)展?jié)摿?在系統(tǒng)魯棒性和緊湊性方面具有較明顯的優(yōu)勢。論文針對現(xiàn)有雙光柵光譜合成系統(tǒng)存在的理論和技術(shù)問題提出了密集組束、偏振復用型雙光柵光譜合成思想,并開展了系統(tǒng)的理論與實驗研究。建立了雙光柵光譜合成物理模型,系統(tǒng)的研究了子束光譜、光斑尺寸、光柵失配等因素對合成光束質(zhì)量的影響,為設(shè)計和研制實用的高效率、高光束質(zhì)量、高功率雙光柵光譜合成系統(tǒng)提供了理論依據(jù)。建立了基于矩陣光學的基模高斯光束在雙光柵光譜合成系統(tǒng)內(nèi)部光學衍射傳輸理論框架,獲得了合成光束質(zhì)量解析表達式。分析了影響雙光柵光譜合成光束質(zhì)量的主要因素,研究結(jié)果表明:在密集組束情形下,子束色散導致合成光束近場擴展的同時還將產(chǎn)生遠場擴展;雙光柵光譜合成光束質(zhì)量與光柵的色散能力無關(guān),在合成參數(shù)確定的前提下,合成光束質(zhì)量由子束二階矩光譜線寬決定。定量分析了雙光柵參數(shù)失配對合成光束質(zhì)量的影響,給出了典型的容差范圍。對高功率光纖激光輸出的高階線偏振模在雙光柵系統(tǒng)中的傳輸問題進行了角譜理論分析,通過數(shù)值計算獲得了合成后的光場分布,使計算多尺寸、多模式激光的雙光柵光譜合成后的光束質(zhì)量成為可能。設(shè)計并建立了密集組束、偏振復用型雙光柵光譜合成驗證實驗裝置,通過一系列實驗驗證了理論模型的正確性。實現(xiàn)5路基于FBG前端全光纖MOPA結(jié)構(gòu)千瓦級非保偏光纖激光器的光譜合成,輸出功率5kW,合成效率91.2%,合成光束質(zhì)量M2=2.96 X 1.52。在此基礎(chǔ)上,將合成通道拓展到20路,實現(xiàn)輸出功率20kW,光束質(zhì)量β=2.29,進一步驗證了采用偏振復用、密集組束型雙光柵光譜合成技術(shù)實現(xiàn)高功率、高效率、高光束質(zhì)量合成輸出的可行性。研究了色散元件耐強光能力、合成效率、窄譜光纖激光器輸出能力等影響光譜合成系統(tǒng)定標放大能力的因素,論證了基于雙光柵的光纖激光光譜合成輸出能力。提出綜合利用光譜、偏振、相干等功率合成手段實現(xiàn)超高功率輸出的復合式光束合成,可進一步提高光譜合成的輸出亮度。分析和歸納現(xiàn)有共孔徑合成方案的本質(zhì)與局限性,提出利用適當規(guī)模共孔徑相干合成光束作為光譜合成子束的思路,在系統(tǒng)可靠性和技術(shù)難度可控的前提下,進一步增加光束合成的通道數(shù)。研究了用于共孔徑相干合成的衍射光學元件設(shè)計方法,提出一種利用分區(qū)鍍膜實現(xiàn)多光束共孔徑相干合成的器件及基于該器件的合成系統(tǒng)構(gòu)型,可降低多光束共孔徑合成器件制備及相位控制的技術(shù)難度。通過理論分析結(jié)合試驗研究,厘清了光纖激光在雙光柵光譜合成系統(tǒng)中衍射傳輸?shù)幕疽?guī)律,驗證了采用偏振復用、密集組束型雙光柵光譜合成技術(shù)實現(xiàn)高功率、高效率、高光束質(zhì)量輸出的可行性,為實用化光譜合成系統(tǒng)的設(shè)計提供參考。
【學位授予單位】：中國工程物理研究院
【學位級別】：博士
【學位授予年份】：2019
【分類號】：TN24;TN253
【圖文】：

圖１光纖激光單纖單模輸出功率增長示意圖逡逑光纖激光雖然在光束質(zhì)量和效率上有顯著優(yōu)勢，但單纖輸出功率受限

美國

圖２德國ＭＢＤＡ公司４０ｋＷ激光系統(tǒng)逡逑

【參考文獻】

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本文編號：2757441