【摘要】：窄線寬近衍射極限光纖激光是指譜線寬度小于或在0.1nm量級、M~2因子小于或等于1.5的光纖激光光源,具有相干性好、光束質(zhì)量高等優(yōu)點(diǎn),在地球科學(xué)、原子物理、非線性頻率轉(zhuǎn)換、光束合成等領(lǐng)域有廣泛的應(yīng)用。采用大模場面積光纖和光譜展寬技術(shù)抑制非線性效應(yīng),窄線寬近衍射極限光纖激光的輸出功率已經(jīng)達(dá)到千瓦量級。然而,隨著輸出功率的提升,窄線寬光纖激光器中會出現(xiàn)熱致模式不穩(wěn)定,導(dǎo)致輸出激光的光束質(zhì)量突然退化。目前,熱致模式不穩(wěn)定是限制高光束質(zhì)量窄線寬摻鐿光纖激光輸出功率進(jìn)一步提升的主要因素之一,也是國際上高功率光纖激光領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)。論文基于摻鐿窄線寬全光纖放大器,對窄線寬近衍射極限光纖激光模式不穩(wěn)定進(jìn)行了理論和實(shí)驗(yàn)研究,探索適用于全光纖窄線寬光纖激光的模式不穩(wěn)定抑制方法。主要包括以下內(nèi)容:1.建立了窄線寬光纖激光模式不穩(wěn)定的新理論模型。從經(jīng)典模式耦合理論出發(fā),綜合考慮大模場面積光纖的模式特性以及光纖中溫度分布特性,建立了窄線寬光纖激光模式不穩(wěn)定的半解析理論模型,獲得了模式非線性耦合系數(shù)的解析公式,揭示了不同物理參數(shù)與光纖激光模式不穩(wěn)定之間的關(guān)系。2.定量分析了光纖結(jié)構(gòu)參數(shù)、激光系統(tǒng)參數(shù)等對光纖激光模式不穩(wěn)定的影響。研究結(jié)果表明:隨著纖芯直徑減小、泵浦包層尺寸增加、纖芯數(shù)值孔徑減小,光纖激光模式不穩(wěn)定出現(xiàn)的閾值增加;隨著注入信號光功率增加、信號光中初始高階模比例減小、信號光強(qiáng)度噪聲減小、泵浦光波長偏移976nm,光纖激光模式不穩(wěn)定閾值增加;采用后向泵浦、雙端泵浦、多波長泵浦也可以提高光纖激光模式不穩(wěn)定閾值;摻雜濃度、制冷方式、偏振特性對熱致模式不穩(wěn)定無明顯影響。3.研究了全光纖窄線寬光纖激光模式不穩(wěn)定的物理表征及影響因素。對熱致模式不穩(wěn)定的光束質(zhì)量“飽和”現(xiàn)象進(jìn)行了分析;首次提出通過探測散射光功率來研究光纖激光模式不穩(wěn)定的方法,并進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。實(shí)驗(yàn)結(jié)果與理論仿真基本吻合。4.研究了增加高階模抑制、增加增益飽和和同帶泵浦等方法對全光纖窄線寬光纖激光模式不穩(wěn)定的抑制效果。首次提出利用915nm泵浦提高光纖激光模式不穩(wěn)定閾值的方案,并進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。理論分析了利用彎曲選模、改變泵浦光波長和采用同帶泵浦抑制光纖激光熱致模式不穩(wěn)定的可行性。在理論分析的基礎(chǔ)上搭建實(shí)驗(yàn)平臺,利用彎曲選模,實(shí)現(xiàn)1.5kW近衍射極限線偏激光輸出,并驗(yàn)證了近衍射極限光纖激光功率目前僅受限于合束器的承受功率;利用915nm泵浦時,實(shí)現(xiàn)了1.26kW近衍射極限線偏激光輸出。5.建立了含LP_(11)模式的窄線寬光纖激光自由空間傳輸模型,修正了傳統(tǒng)M~2因子。修正后的M~2因子克服了傳統(tǒng)M~2因子受LP01模式與LP_(11)模式間相對相位影響的不足,可以用于評價基于低數(shù)值孔徑、大模場面積光纖的窄線寬光纖激光的模式成分。研究了含LP_(11)模式的窄線寬光纖激光的自由空間傳輸特性,首次發(fā)現(xiàn)LP01模式與LP_(11)模式間相對相位對目標(biāo)上桶中功率無影響。若利用自適應(yīng)系統(tǒng)矯正模式間相對相位導(dǎo)致的遠(yuǎn)場光斑峰值與目標(biāo)靶面中心的偏移,桶中功率隨模式間相對相位變化存在最優(yōu)值,最優(yōu)的相對相位為π/2。
【學(xué)位授予單位】：國防科學(xué)技術(shù)大學(xué)
【學(xué)位級別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2015
【分類號】：TN722;TN248
【圖文】：

國防科學(xué)技術(shù)大學(xué)研究生院博士學(xué)位論文aster oscillator power amplifier，簡稱 MOPA) 的結(jié)構(gòu)實(shí)2001 年，德國耶拿大學(xué)的 S. H fei 和 A. Liem 等利用m、內(nèi)包層直徑為 400μm 的 D 型大芯徑雙包層摻鐿光浦功率為 100W 時，得到了 20.1W 的單頻放大光輸出。2003 年，利用纖芯直徑為 28μm、內(nèi)包層直徑為 40鐿光纖，A. Liem 等采用類似圖 1.1 中的放大結(jié)構(gòu)，通了百瓦量級的單頻激光輸出，實(shí)驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)放大器輸出功出現(xiàn)非線性增長，表明 SBS 限制了功率的進(jìn)一步提升

圖 1.1 德國耶拿大學(xué)單頻光纖激光系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖，英國南安普頓大學(xué)的 Y. Jeong 和 J. Nilsson 等搭建了 MO纖放大系統(tǒng)，實(shí)驗(yàn)結(jié)構(gòu)如圖 1.2 所示，采用中心波長為 106種子源，主放大器的增益光纖是長度為 6.5m 的大芯徑雙包芯直徑為 25μm，D 型內(nèi)包層直徑為 380μm，實(shí)驗(yàn)中最終得出[39]。在主放大器中并沒有觀察到 SBS，輸出功率只受限提升的空間。2007 年，Y. Jeong 等采用同一放大系統(tǒng)，在進(jìn)件下，得到了 402W 的單頻線偏激光輸出，在主放大級仍出功率仍然僅受限于泵浦功率[40]。隨后，他們使用 9m 纖芯3μm 和 650μm 的雙包層非保偏摻鐿光纖作為主放大器的增W 的單頻激光輸出。

圖 1.3 美國康寧公司單頻光纖激光系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖 年，美國空軍研究實(shí)驗(yàn)室 C. Robin 和 I. Dajani 等搭建了 MOPA光纖放大系統(tǒng)，實(shí)驗(yàn)結(jié)構(gòu)如圖 1.4 所示，采用中心波長 1064nm器作為種子源，主放大器的增益光纖為聲場裁剪光纖，纖芯直徑為 30μm，內(nèi)包層直徑為 320μm，放大器最終輸出 494W 的單頻器中并沒有觀察到 SBS，輸出功率僅受限于泵浦功率。2012 年9.5μm、模場直徑為 30μm、內(nèi)包層直徑為 329μm 的聲場裁剪光一步提高泵浦功率的條件下，得到了 530W 的單頻單模激光輸沒有觀察到 SBS，但單模激光輸出功率受限于模式不穩(wěn)定。2究實(shí)驗(yàn)室的 C. Robin 等通過優(yōu)化光纖結(jié)構(gòu)，利用增益裁剪技術(shù)實(shí)現(xiàn)了 811W 單頻近衍射極限光纖激光，M2為 1.1~1.2，是目前纖激光輸出的最高功率[44]。經(jīng)過光纖結(jié)構(gòu)優(yōu)化后，最高輸出功無熱致模式不穩(wěn)定，輸出功率僅受限于 SBS。

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本文編號：2762701