【摘要】：單纖功率存在極限,采用功率合成技術是提高光纖激光輸出總功率的有效技術途徑。無論是相干合成還是光譜合成均要求子束光纖激光具有較窄的線寬。因此針對光纖功率合成應用需求,本論文重點對高功率窄線寬光纖激光在非線性效應、退偏振效應和放大自發(fā)輻射(ASE)效應上存在的問題進行理論和實驗研究。本論文建立了可同時分析窄線寬光纖放大各重要物理過程的模型,采用該模型完成了光纖布拉格光柵(FBG)和單頻調制放大器的數值仿真和設計參數優(yōu)化。提出了進一步壓窄線寬和抑制SBS的新方法,并開展實驗進行了驗證。通過對退偏振過程中光束質量和線寬變化規(guī)律的分析,提出了如何有效控制放大過程退偏振的方法,并通過實驗進行了驗證。采用經典模型分析了光纖激光放大器中各項參數對ASE的影響并進行了實驗研究,為短波長放大器設計提供了支撐。一、介紹了國內外高功率窄線寬光纖激光器及其應用領域的最新研究進展,歸納了典型的光纖激光功率合成方案對子束光纖激光指標的要求,重點闡述了窄線寬光纖激光器研究中面臨的關鍵物理和技術問題。二、(1)在傳統(tǒng)模型的基礎上,建立了針對窄線寬高功率光纖激光放大器模型,該模型同時考慮了光纖激光振蕩器／放大器中的激光放大、受激拉曼散射(SRS)、熱效應、ASE、受激布里淵(SBS)和四波混頻(FWM)等重要物理過程,具備了同時針對單頻調制窄線寬光纖激光放大器和FBG窄線寬光纖激光放大器的設計能力；(2)針對這兩種典型窄線寬光纖激光器的方案,利用該模型對激光器中各項參數對SBS和光譜展寬的影響進行了分析,完成了兩種方案的優(yōu)化設計；(3)開展了兩種方案的實驗研究,對設計結果進行了驗證：a)FBG窄線寬光纖激光放大實驗：針對單振蕩器結構光譜展寬嚴重的問題,提出了“少”縱模振蕩器加一級預放大器作為種子源的結構代替原有的單振蕩器方案,將線寬進一步壓窄,實現了1800W,光光效率85%,二階矩線寬0.31nm(半高全寬0.16nm),信噪比30dB,光束質量M~x_2=1.218,My2=1.185的窄線寬輸出；b)單頻調制窄線寬光纖激光放大實驗：針對不同芯徑光纖的放大器SBS抑制效果進行了實驗驗證：采用20μm增益光纖,實現了1228W的輸出,光光效率84%,線寬0.04nm,信噪比57dB,M~x_2=1.218,My2=1.155;采用25μm增益光纖,實現了2000W,光光效率84%,線寬0.04nm,信噪比43dB；(4)對于兩種方案各自存在的問題,提出了基于單頻調制的雙種子光注入放大的方案,既緩解了放大過程光譜展寬的問題,也有效控制了放大器中的SBS：采用20μm增益光纖開展了實驗驗證,當泵浦功率為1470W時,激光輸出1200W,線寬0.075nm,激光器光光效率達到82%,回光功率41mW,比單種子注入情況的回光功率整整少了一倍；(5)在理論和實驗研究基礎上,給出了線寬小于60GHz、功率大于5kW的窄線寬光纖激光器設計：基于單頻調制窄線寬光纖激光放大方案,將單頻種子源展寬至-60GHz,通過前向泵浦方式,利用20gm增益光纖作為主放大器光纖,可實現大于5kW輸出。三、得到了對高功率光纖激光實現偏振輸出的基本條件的新認識：光纖激光保持較好的橫模模式特性(光束質量達到近衍射極限)是大模場光纖激光器偏振輸出的必要條件之一,同時還要保證窄線寬輸出,減小偏振模色散導致的退偏振。實驗結果表明,光束質量的下降往往伴隨著偏振度(DOP)的下降,且放大器DOP比較高的話,光束質量也會更好,說明隨機偏振激光以高階模形式存在。FBG窄線寬放大器由于放大過程光譜展寬,即使當光束質量為近衍射極限輸出時,DOP仍然只有77%,驗證了光譜展寬造成的模間色散是DOP下降的另外一個主要原因。通過光束質量和線寬的有效控制,實現了基于偏振種子源+非保偏少模光纖放大器90%DOP輸出。通過主動偏振控制實現了最大功率1000W輸出,線寬0.04nm,光束質量約為1.2,PER約為14.5。四、基于經典的光纖激光理論模型,對不同波長放大過程的ASE進行了模擬仿真和比較,結果表明,相較于普遍應用的波長,1030nm前向和反向輸出的ASE均較為顯著。通過對1030nm放大器的模擬仿真,優(yōu)化了放大器的結構設計；搭建了MOPA結構的1030nm窄線寬激光器,實現了線寬0.072nm(半高全寬)的1030nm窄線寬1010W輸出,光-光效率81%,1030nm輸出功率占總輸出功率比例大于99%。
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高速相位調制的方法展寬單頻種子源的光譜，有效降低光譜的功率密度，提離ＳＢＳ效應逡逑的闊值。逡逑２０１１年，Ｆ化ｅｒｔｅｋ公司搭建了空間z1合結構的多級光纖激光放大器（如圖１．３所示），逡逑通過相位調制的方法將種子源展寬至化４５ＧＨｚ。主放大級采用３５叫Ｔ＞化纖最終實現了逡逑化Ｗ近衍射極限輸出（Ｍ２＜１．４），，量子效率８３％１３１１。最NB功率輸山時，在凹光光譜中可逡逑觀測到ＳＢＳ，說明該放大器己達到ＳＢＳ閥值條件。國１．４ａ）為放大器輸出功率隨累浦功逡逑率的變化曲線，整個放大過程激光器保持著８５％的光光效率：圖１．４ｂ）為高分辨率光譜逡逑測試結果，經過調制后，種子源的線寬由單頻展寬至化４５ＧＨｚ；圖１．４ｃ）為分辨率為２ｎｍ逡逑時的ＩｋＷ前向輸出光譜，圖Ｌ４ｄ）為分辨率為Ｏ．Ｏｌｎｍ時的ＩｋＷ前向和反向的光譜對逡逑比，此時在回光中己經可Ｗ分辨出ＳＢＳ。逡逑３逡逑

圖１．４邋ｋＷ級窄線寬放大器功率和光譜輸出參灥２ｉ］逡逑２０１４年，采用２５＾１１１１的非保偏慘德光纖作為主放光纖，Ｎｕｆｅｒｎ公司搭建了四級放大逡逑的Ｍ０ＰＡ結構窄線寬激光放大器，如圖１．５所示。采用ＰＲＢＳ相位調制的方法，通過優(yōu)逡逑化調制參數，全光纖激光器ＳＢＳ闊值得到顯著提升。最終激光器實現了邋ＬＨｋＷ邋３ＧＨｚ逡逑線寬輸出，光光效率８３％，信號光信噪比５０ｄＢ，Ｍ２＝１．２Ｐ２１，如圖１．６所示。放大器中逡逑的回光己出現非線性增長，表明放大器已達到ＳＢＳ闊值功率。逡逑ｆ＂Ｍｏｄ�？郏铮蝈澹ⅲ樱簦幔�。２＂？ｓｔａ扣邋３＊＊Ｓｔａｇ。ｊ逡逑Ｊ邋Ｏｐｔｉｃａｌ邋ＩｓｏｉａｔｏＴ邐１逡逑\�，：／Ｉａ擊；Ｓzⅲ�，：ＧG恚蓿睿皰�？辶x希玻叮牽瑁危危苠義希校瑁錚簦悖耍剩

本文編號：2546271