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光纤相位共轭技术的理论与实验研究

作　者: 周涛
导　师: 陈军
学　校: 浙江大学
专　业: 光学工程
关键词: 光纤相位共轭 MOPA DPL 微片激光器高重复频率
分类号: TN253
类　型: 博士论文
年　份: 2003年
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内容摘要

为了改善高重复频率、窄脉冲的高功率DPL激光系统中由严重的热效应所降低的光束质量，采用光纤相位共轭器是可行的技术方法之一，并符合现代激光系统设计全固化和小型化的思想。而对光纤相位共轭器而言，关键问题是如何突破SBS反射率低于60％的瓶颈，并应用到重复频率大于100Hz、脉冲窄于30ns的激光系统中获得较高的稳定性和较好的相位共轭效果。为此，本文第二章在分析了多模石英光纤作为相位共轭介质和其它介质的异同的基础上，首次为光纤相位共轭器建立了多纵模激光泵浦下的受激布里渊散射（SBS）理论模型。成功解释了激光线宽、纵模间隔与数目对光纤中SBS过程的影响，并通过数值计算分析了SBS阈值、反射率、相对稳定性、保真度等性能参数随着注入激光能量、脉宽以及光纤长度、芯径的变化趋势。第三章在重复频率100Hz、脉宽15～47ns可调的DPL系统中，实验研究了不同芯径、长度的光纤在不同能量、脉宽的激光泵浦下SBS阈值、反射率等性能参数等变化趋势，实验结果和理论分析一致。应用φ200μm光纤经双通放大最高可获得57％的能量反射率、85％的相对稳定性以及92％的相位共轭保真度，并观察到激光系统的输出光束质量被显著改善。将光纤相位共轭镜应用于四通放大结构中，有效抑制了放大级中的放大自发辐射引起的自激振荡现象，使得自激振荡输出能量从12mJ降低到能量计最小精度以下。应用φ200μm光纤获得了21mJ的四通放大输出能量并在能量反射率10％的情况下获得了高达8.6倍的脉冲压缩比。为了获得更高的能量反射率和稳定性，我们自行设计了一种新型的锥度光纤，并应用于LD泵浦的双通放大DPL系统中；实验表明：应用锥度光纤相位共轭器可以获得高达85％的能量反射率和90％的相对稳定度。由于泵浦激光的线宽对SBS反射率有显著影响，而利用单纵模、高重复频率运转的脉冲微片激光器作为DPL系统种子光源来提高激光系统单色性是一种可行的技术方案。因此本文还分别对采用Cr⁴⁺：Nd³⁺：YAG实现被动调Q和预泵浦技术实现增益调Q的脉冲微片激光器进行了理论和实验研究。第五章中在考虑了腔内光子和反转粒子数空间分布对速率方程影响的基础上，对原有被动调Q理论进行修正，并深入分析了泵浦光聚焦参数对LD端面泵浦的平—平腔微片激光器性能的影响。通过实验研究，在φ6mm×1mm的Cr⁴⁺：Nd³⁺：YAG微片激光器上获得了脉宽＜6ns、重复频率＞100kHz、稳定的1064nm激光脉冲序列，并和理论计算结果比较。相比原有理论，修正后理论的计算结果更符合实验数据。此外，利用预泵浦技术在Cr⁴⁺：Nd³⁺：YAG微片激光器上实现了重复频率1～1kHz可控的脉冲输出，并在φ20mm×1mm的Nd³⁺：YVO₄晶体上应用增益调Q 浙江大学博士学位论文技术获得了脉宽80us的激光脉冲。

全文目录

中文摘要  3-10
第一章绪论  10-22
  1．1 选题的背景和意义  10-11
  1．2 SBS的发展状况  11-17
  1．3 微片激光器的发展状况  17-20
  1．4 论文主要内容及研究成果  20-22
    1．4．1 主要内容  20-21
    1．4．2 论文成果  21-22
第二章多模光纤相位共轭器的理论研究  22-46
  2．1 引言  22
  2．2 光纤中多纵模泵浦下的瞬态SBS理论  22-36
    2．2．1 光场的驱动方程  22-23
    2．2．2 多纵模的光耦合方程  23-33
    2．2．3 光纤中的SBS公式  33-34
    2．2．4 声场的形成S_0的确定  34-36
  2．3 光纤中的瞬态SBS过程  36-37
  2．4 纵模数目对SBS反射率的影响  37-39
  2．5 光纤参数对SBS反射率的影响  39-43
    2．5．1 光纤长度对SBS反射率的影响  39-41
    2．5．2 光纤芯径对SBS反射率的影响  41-43
  2．6 泵浦光参数对SBS反射率的影响  43-45
  2．7 小结  45-46
第三章多模石英光纤相位共轭器的实验研究与分析  46-74
  3．1 引言  46
  3．2 光纤相位共轭双通放大实验  46-51
    3．2．1 实验装置  46-50
    3．2．2 测量方法  50-51
  3．3 实验结果  51-65
    3．3．1 相位共轭现象  51-52
    3．3．2 SBS功率阈值  52-53
    3．3．3 SBS能量反射率  53-55
    3．3．4 双通输出能量  55-56
    3．3．5 退偏率  56
    3．3．6 稳定性  56-60
    3．3．7 脉宽和压缩比  60-61
    3．3．8 保真度  61-62
    3．3．9 透镜焦距的影响  62-64
    3．3．10 光纤的损伤  64-65
  3．4 光纤相位共轭的四通放大实验  65-73
    3．4．1 实验装置图  66-67
    3．4．2 相位共轭现象  67-68
    3．4．3 ASE抑制  68-69
    3．4．4 四通放大的能量反射率  69-70
    3．4．5 四通放大输出能量  70
    3．4．6 退偏率  70-71
    3．4．7 稳定性和保真度  71-72
    3．4．8 脉宽和压缩比  72-73
  3．5 小结  73-74
第四章锥度光纤相位共轭器的理论和实验研究  74-92
  4．1 引言  74
  4．2 锥度光纤的理论分析  74-84
    4．2．1 传输耦合损耗α的确定  76-78
    4．2．2 锥度光纤的SBS时间特性  78-81
    4．2．3 影响锥度光纤反射率的因素  81-84
  4．3 锥度光纤的实验研究  84-91
    4．3．1 实验装置  85-86
    4．3．2 SBS反射率  86-87
    4．3．3 双通输出能量  87
    4．3．4 退偏率  87-88
    4．3．5 保真度  88-89
    4．3．6 脉冲波形  89
    4．3．7 稳定性  89-91
  4．4 结论  91-92
第五章 LD端面泵浦的脉冲式微片激光器的理论研究  92-116
  5．1 引言  92
  5．2 Cr~（4+）：YAG被动调Q微片激光器的基本理论  92-95
    5．2．1 F-P谐振腔的模式  92-94
    5．2．2 速率方程  94-95
  5．3 泵浦参数对腔模的形成影响  95-107
    5．3．1 温度分布  95-99
    5．3．2 热致光程差  99-101
    5．3．3 最大可承受功率  101-102
    5．3．4 热透镜的焦距  102-103
    5．3．5 热透镜对腔模形成的影响  103-105
    5．3．6 热致衍射损耗  105-107
  5．4 空间分布对输出性能的影响  107-112
    5．4．1 修正后的速率方程  108-110
    5．4．2 重复频率  110-111
    5．4．3 阈值和倾斜效率  111-112
  5．5 讨论分析  112-115
  5．6 小结  115-116
第六章 LD端面泵浦的脉冲式微片激光器的实验研究  116-127
  6．1 引言  116
  6．2 实验装置  116-117
  6．3 Cr~（4+）：Nd~（3+）：YAG微片激光器  117-124
    6．3．1 连续泵浦情况  118-122
    6．3．2 脉冲泵浦情况  122-124
  6．4 Nd~（3+）：YVO_4微片激光器  124-126
    6．4．1 连续泵浦情况  124
    6．4．2 脉冲泵浦情况  124-126
  6．5 小结  126-127
第七章总结  127-129
参考文献  129-139
发表论文和获奖情况  139-141
致谢  141

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