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，在工業(yè)加工、生物醫(yī)學(xué)、激光雷達(dá)、光電對抗等領(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，一類是利用實能級的躍遷產(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象，分析其在功率提升和波長轉(zhuǎn)換上的潛力，重點研究混合增益光纖激光器的特性和優(yōu)勢。
　　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激光產(chǎn)生的影響。實驗上對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)化和實驗設(shè)計，實現(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，對纖芯泵浦的拉曼振蕩器和基于拉曼增益的短腔隨機光纖激光器展開了理論和實驗研究。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)化這兩個參數(shù)可以方便地對拉曼振蕩器進(jìn)行設(shè)計。開展了纖芯泵浦拉曼振蕩器的實驗研究，獲得了119 W的1173 nm激光輸出，光光效率超過82%。理論仿真與實驗結(jié)果基本吻合。
　　在基于拉曼增益的短腔隨機光纖激光器方面，理論分析了隨機光纖激光器閾值與光纖長度的關(guān)系；指出短腔隨機激光器閾值對寄生反饋較為敏感，因此可以用其判斷實驗中是否存在反饋；數(shù)值計算表明隨機光纖激

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)計了百瓦級的高功率隨機激光，獲得了全開腔124 W的1150 nm隨機激光，光光轉(zhuǎn)換效率79%；半開腔112 W的1150 nm隨機激光，激光器效率84.8%，為目前已報道的最高功率、最高效率的隨機光纖激光器。開展了高功率隨機激光的應(yīng)用研究，通過研究隨機激光的時域穩(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隨機激光泵浦摻鈥光纖振蕩器，獲得23 W的2050

7、 nm激光。
　　對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。并對其熱分布特性進(jìn)行分析，表明不會給系統(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，分析實驗中可能產(chǎn)生的四波混頻對多波長混合增益光纖放大系統(tǒng)的影響，計算表明：四波混頻會降低放大器的高階拉曼閾值，但是可以通過優(yōu)化設(shè)計使四波混頻控制在可接受的范圍內(nèi)

8、，實現(xiàn)千瓦量級的長波長激光輸出；四波混頻會使前向輸出光更容易向高階拉曼轉(zhuǎn)換，但是對后向光影響較小，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驗研究。獲得了732 W的1120 nm激光功率輸出，實驗結(jié)果驗證了理論模型的正確性。進(jìn)一步優(yōu)化設(shè)計，利用混合增益光纖放大器實現(xiàn)了1.52 kW的1120 nm激光，是目前報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驗，獲得了1178 nm波長激光已報道最高功率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)化種子功率可在實驗結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上實現(xiàn)千瓦級的1178 nm激光輸出，此時由四波混頻誘發(fā)的高階拉曼比例可小于5%。
　　對采用多模光纖的混合增益放大器展開了研究，重點分析了混合增益光纖放大器對輸出激光光束質(zhì)量的影響。通過實驗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