本文關(guān)鍵詞：大功率光纖激光器的模式分解及模式控制

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【摘要】：近年來,近衍射極限大功率光纖激光器的輸出功率大幅提升,已經(jīng)廣泛應(yīng)用于工業(yè)加工、國防等諸多領(lǐng)域。但是,近衍射極限大功率光纖激光功率的進一步提升受到了非線性效應(yīng)等因素的制約。增大纖芯直徑可以提高非線性效應(yīng)的閾值,但同時將導致纖芯中支持的本征模式數(shù)量增加,在高功率運行下可能產(chǎn)生比較復雜的模式競爭、模式耦合等過程最終導致光束質(zhì)量的退化,甚至引起模式不穩(wěn)定性(Mode Instability,MI)使得光束質(zhì)量急劇惡化。論文將采用模式分解研究大功率光纖激光器中的模式競爭、MI等物理過程,并且通過一種基于損耗機制的新型大模場光纖設(shè)計實現(xiàn)大功率的近衍射極限輸出。本文的主要工作包括:實驗上驗證了基于隨機并行梯度下降(Stochatsic Parallel Gradient Descent,SPGD)算法的模式分解方法,結(jié)果表明利用SPGD算法能夠?qū)崿F(xiàn)對少模光纖輸出光束精確、快速的模式分解。通過優(yōu)化算法中變量初值的選取,進一步驗證了利用SPGD算法對時變光束的在線實時模式分解并同時得到了M2因子,這為大功率光纖激光器簡便易行且可靠的實時模式診斷提供了一個可能的解決方案。通過基于SPGD算法的模式分解,分析了不同注入條件以及不同泵浦功率下光纖激光器中的模式競爭過程。實驗結(jié)果表明,選擇性激發(fā)基模有利于得到高光束質(zhì)量,并且高階模的比例隨著泵浦功率的增加而減少。借助于高速相機,首次實現(xiàn)了對基于階躍折射率光纖的大功率光纖激光器中MI的模式診斷,觀察到了發(fā)生MI后基模與高階模之間劇烈的動態(tài)模式耦合。而且,發(fā)現(xiàn)在輸出功率達到MI閾值時,這種動態(tài)模式耦合具有明顯的周期性,但是周期性隨著輸出功率的增加而逐漸減弱并最終消失。因此,大功率光纖激光器中的MI可分為穩(wěn)定階段、過渡階段以及混沌階段。最后,成功將實時模式分解的結(jié)果作為反饋實現(xiàn)了光纖輸出模式的自適應(yīng)控制,不僅實現(xiàn)了單一本征模式輸出,而且實現(xiàn)了光束質(zhì)量的優(yōu)化,為大功率光纖激光器的模式控制提供了新思路。通過數(shù)值仿真研究了不同參數(shù)(包括泵浦方式、泵浦波長以及內(nèi)包層直徑等)下大功率光纖放大器在不同高階模損耗下的性能。仿真結(jié)果表明,高階模的輸出功率隨高階模損耗增加而減小;由于模式的損耗與分布極不均勻的局部增益之間的相互作用,隨著高階模的損耗從0 dB/m開始增加,放大器的效率先急劇下降再緩慢上升,最終趨于飽和。此外,研究結(jié)果表明,后向泵浦和級聯(lián)泵浦更有利于獲得高效的等效單模輸出。通過對該問題的研究,不僅加深了損耗和增益的相互作用對放大器輸出特性影響的認識,而且明確了通過損耗機制獲得等效單模式輸出的光纖設(shè)計原則,為大功率光纖放大器抑制高階模提供了重要指導。提出了一種基于損耗機制的新型大模場光纖設(shè)計方案,通過有限元方法對這種光纖的模式特性,包括基模等效模場面積、基模和高階模的損耗系數(shù)以及重疊因子等,進行了仿真研究。仿真結(jié)果表明,這種光纖具有很強的高階模和非線性抑制能力。最后,拉制了一根纖芯直徑為25μm的新型大模場摻鐿光纖,實驗結(jié)果表明,這根光纖具有良好的高階模抑制能力,并且實現(xiàn)了輸出功率為800 W、M2因子~1.1的近衍射極限大功率輸出。
【學位授予單位】：國防科學技術(shù)大學
【學位級別】：博士
【學位授予年份】：2016
【分類號】：TN248

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本文編號：1280421