大功率混合增益光纖激光器.pdf

1、全光纖化的光纖激光器具有結(jié)構(gòu)緊湊、效率高、便于熱管理等優(yōu)點(diǎn)，在工業(yè)加工、生物醫(yī)學(xué)、激光雷達(dá)、光電對(duì)抗等領(lǐng)域有著廣泛的用途。隨著人們需求的不斷拓展，光纖激光正朝著更高亮度、更高效率以及更廣的光譜覆蓋范圍發(fā)展。光纖激光的增益來源通常有兩大類，一類是利用實(shí)能級(jí)的躍遷產(chǎn)生的受激輻射，如摻鐿光纖激光器；另一類是利用非線性效應(yīng)產(chǎn)生的增益，也叫虛能級(jí)增益，如拉曼激光器。以上兩類增益都具有獲得高功率、寬光譜范圍激光的潛力。本文以鐿離子增益、拉曼增益以及

2、兩者的混合增益為研究對(duì)象，分析其在功率提升和波長轉(zhuǎn)換上的潛力，重點(diǎn)研究混合增益光纖激光器的特性和優(yōu)勢(shì)。
　　相比于摻鐿光纖常規(guī)波段激光，關(guān)于長波波段激光發(fā)射特性的研究較少，但是該波段激光與高功率拉曼光纖激光器波長相匹配，并且可以作為混合增益系統(tǒng)的種子源，因此本文分析了長波長摻鐿光纖激光器的發(fā)射特性。針對(duì)長波長激光在摻鐿光纖中增益較小、容易產(chǎn)生ASE的限制，理論分析了振蕩器增益光纖纖芯直徑、長度、小信號(hào)吸收系數(shù)、吸收發(fā)射截面、損耗系

3、數(shù)，以及輸出耦合光柵反射率和泵浦方式對(duì)激光產(chǎn)生的影響。實(shí)驗(yàn)上對(duì)振蕩器輸出光柵反射率、摻鐿光纖長度、泵浦源類型、光纖損耗等因素在抑制ASE方面的性能進(jìn)行了詳細(xì)討論。通過理論優(yōu)化和實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)了16 W的1173 nm、322 W的1120 nm振蕩器單模輸出，都為目前該波段已報(bào)道的采用普通雙包層摻鐿光纖振蕩器輸出的最高功率。進(jìn)一步開展了長波長激光在摻鐿光纖中的放大研究。從理論上分析了種子功率、端面反饋、光纖參數(shù)對(duì)放大器性能的影響，搭建了

4、1120 nm摻鐿光纖放大器，獲得了309 W的激光輸出，光光效率71.5％。
　　拉曼增益與鐿離子增益相同，是混合增益系統(tǒng)的重要組成部分，為了分析其特性，對(duì)纖芯泵浦的拉曼振蕩器和基于拉曼增益的短腔隨機(jī)光纖激光器展開了理論和實(shí)驗(yàn)研究。在纖芯泵浦拉曼振蕩器理論模型的基礎(chǔ)上推導(dǎo)了拉曼振蕩器的閾值公式，并提出利用該公式可以測(cè)量拉曼增益系數(shù)；理論分析了光纖長度、拉曼增益系數(shù)、光纖損耗、輸出耦合光柵反射率、纖芯直徑對(duì)拉曼振蕩器效率的影響，指

5、出光纖長度和輸出耦合光柵反射率在很大范圍內(nèi)都可以使振蕩器效率最優(yōu)，因此優(yōu)化這兩個(gè)參數(shù)可以方便地對(duì)拉曼振蕩器進(jìn)行設(shè)計(jì)。開展了纖芯泵浦拉曼振蕩器的實(shí)驗(yàn)研究，獲得了119 W的1173 nm激光輸出，光光效率超過82%。理論仿真與實(shí)驗(yàn)結(jié)果基本吻合。
　　在基于拉曼增益的短腔隨機(jī)光纖激光器方面，理論分析了隨機(jī)光纖激光器閾值與光纖長度的關(guān)系；指出短腔隨機(jī)激光器閾值對(duì)寄生反饋較為敏感，因此可以用其判斷實(shí)驗(yàn)中是否存在反饋；數(shù)值計(jì)算表明隨機(jī)光纖激

6、光器的光纖越短可獲得的功率越大。在理論分析的基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)了百瓦級(jí)的高功率隨機(jī)激光，獲得了全開腔124 W的1150 nm隨機(jī)激光，光光轉(zhuǎn)換效率79%；半開腔112 W的1150 nm隨機(jī)激光，激光器效率84.8%，為目前已報(bào)道的最高功率、最高效率的隨機(jī)光纖激光器。開展了高功率隨機(jī)激光的應(yīng)用研究，通過研究隨機(jī)激光的時(shí)域穩(wěn)定性，指出其可用作高功率放大系統(tǒng)的種子源。用產(chǎn)生的高功率1150 nm隨機(jī)激光泵浦摻鈥光纖振蕩器，獲得23 W的2050

7、 nm激光。
　　對(duì)混合增益光纖激光器展開了理論研究。提出了混合增益光纖放大器的概念，建立了基于功率的速率方程模型，重點(diǎn)分析了其在泵浦能量提取、波長轉(zhuǎn)換、后向拉曼散射抑制上的優(yōu)勢(shì)。并對(duì)其熱分布特性進(jìn)行分析，表明不會(huì)給系統(tǒng)帶來額外的熱負(fù)載。進(jìn)一步建立了考慮四波混頻的物理模型，分析實(shí)驗(yàn)中可能產(chǎn)生的四波混頻對(duì)多波長混合增益光纖放大系統(tǒng)的影響，計(jì)算表明：四波混頻會(huì)降低放大器的高階拉曼閾值，但是可以通過優(yōu)化設(shè)計(jì)使四波混頻控制在可接受的范圍內(nèi)

8、，實(shí)現(xiàn)千瓦量級(jí)的長波長激光輸出；四波混頻會(huì)使前向輸出光更容易向高階拉曼轉(zhuǎn)換，但是對(duì)后向光影響較小，系統(tǒng)仍能有效抑制后向拉曼散射光。
　　開展了高功率混合增益光纖放大器波長范圍拓展的實(shí)驗(yàn)研究。獲得了732 W的1120 nm激光功率輸出，實(shí)驗(yàn)結(jié)果驗(yàn)證了理論模型的正確性。進(jìn)一步優(yōu)化設(shè)計(jì)，利用混合增益光纖放大器實(shí)現(xiàn)了1.52 kW的1120 nm激光，是目前報(bào)道的該波段激光最高功率，并有繼續(xù)提升功率的潛力。為了進(jìn)一步拓展輸出波長范圍，進(jìn)

9、行了高功率三波長種子的放大實(shí)驗(yàn)，獲得了1178 nm波長激光已報(bào)道最高功率536 W。建立了三波長種子放大的理論模型，分析表明通過優(yōu)化種子功率可在實(shí)驗(yàn)結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上實(shí)現(xiàn)千瓦級(jí)的1178 nm激光輸出，此時(shí)由四波混頻誘發(fā)的高階拉曼比例可小于5%。
　　對(duì)采用多模光纖的混合增益放大器展開了研究，重點(diǎn)分析了混合增益光纖放大器對(duì)輸出激光光束質(zhì)量的影響。通過實(shí)驗(yàn)和理論分析證明在注入種子光束質(zhì)量較好的情況下，利用受激拉曼散射能夠提高輸出光的光束