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基于国产器件的高功率光纤激光器

作　者: 董小林
导　师: 郭少锋；周朴
学　校: 国防科学技术大学
专　业: 光学工程
关键词: 光纤激光器本土化窄线宽受激布里渊散射单频增益竞争
分类号: TN248.1
类　型: 硕士论文
年　份: 2011年
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内容摘要

光纤激光器具有转换效率高、光束质量好、热管理方便、结构紧凑等优点,其在高能激光系统中的巨大潜力吸引了各国军方和研究人员的极大兴趣。大模场面积双包层掺杂光纤的使用使得高功率光纤激光器的输出功率不断跃升,但随着光纤纤芯直径的增加,获得高光束质量的激光变得越来越困难。许多研究人员在优化设计大模场面积单模光纤的研究中做了大量的工作,然而小芯径光纤实现高功率高光束质量激光输出可能性一直未受到研究人员关注。论文针对小芯径双包层掺镱光纤实现高功率光纤激光输出方案展开了理论与实验研究,分析了小芯径光纤激光器的必要性、可行性、实现方案。论文首先回顾了国内外高功率光纤激光器近十年来取得的一系列研究成果,深入分析了高功率光纤激光器发展现状,论证了高功率光纤激光器本土化的可行性。在总结了高功率光纤激光器的几种典型方案后,提出主振荡功率放大(master oscillator power amplifier,MOPA)结构的高功率全国产光纤激光器是一种可行的技术方案,并在此基础上对全国产高功率宽谱光纤激光器和单频光纤激光器开展了深入的论证和实验研究。采用全光纤结构主振荡功率放大器的方案,建立了MOPA结构的偏振光纤激光器的实验平台。利用5/130μm双包层保偏光纤实现了67 W连续波高功率保偏光纤激光输出,光光转换效率达到76%,其中掺镱光纤纤芯内的激光功率密度约为3.4 W/μm2,根据实验结果可推断30μm芯径的双包层掺镱光纤输出功率可达2.4 kW。同时也利用11/130μm双包层小芯径光纤实现了126 W连续波高功率激光输出。上述两个高功率光纤激光器输出激光均是严格单模的,在光束质量控制方面具有的天然优越性以及高功率输出的可行性,因此在高光束质量高功率激光方面具有巨大的潜力。总结了单频光纤激光器的基本原理和技术方案,对系统中种子源和受激布里渊散射抑制的相关技术开展了深入研究。确定以MOPA方案实现高功率单频光纤激光。综述了单频光纤激光器种子源的几种方案——短腔法、Fabry-Perot标准具选纵模、饱和吸收体,分析其优缺点,最终选择了利用短腔法获得单频种子源的方案。讨论了受激布里渊散射(stimulated Brillouin scattering,SBS)的物理机制及其对单频放大器的影响。根据速率方程理论,对大波长间隔增益竞争抑制SBS的方法进行数值仿真。仿真结果表明,在单频光纤放大器中注入合适功率的宽谱信号光有助于提高SBS的阈值功率,一定程度上抑制了SBS。建立了高功率单频光纤激光器平台。为防止单频放大过程中SBS对前级系统的破坏,加入后向光监测控制器件。采用11/130μm芯径的双包层掺镱光纤获得了29.2 W线宽为20 kHz的单频光纤激光输出,光光转换效率约为78%,放大自发辐射(amplified spontaneous emission,ASE)抑制比达到40 dB左右。在此基础上,采用30μm芯径的大模场面积光纤,获得122 W全光纤单频激光输出。现有文献报道的利用WDM器件和单包层掺镱光纤构建的放大器效率约为百分之四十。我们利用基于同带泵浦的1012 nm激光器对高效单频光纤放大器进行了初步探索。在低功率水平实现了斜率效率达到63%的功率放大。由于同带泵浦的量子亏损比976 nm激光半导体(laser diode,LD)直接泵浦的量子亏损低,并且类1012 nm波段的光纤激光的泵浦源亮度远远高于LD,因此同带泵浦激光作为新的高亮度泵浦源在高功率光纤激光器领域具有巨大的潜力。在同带泵浦的基础上,我们构建了一种新型的低功率水平的超高倍率MOPA放大器,对放大器的倍率极限进行了研究。通过注入1012 nm波长的伴随激光,将300μW 1064 nm的单频激光放大到65 mW,放大倍率达到216倍。由于1012 nm激光的伴随放大效应以及同带泵浦效应,有效抑制了微弱信号光放大器中容易出现的ASE。

全文目录

摘要  9-11
ABSTRACT  11-13
第一章绪论  13-20
  1.1 课题背景  13-15
    1.1.1 高功率光纤激光器发展迅速  13-14
    1.1.2 高功率光纤激光器应用前景广阔  14-15
  1.2 课题的意义及国内外现状  15-19
    1.2.1 国产高功率光纤激光器发展现状对比分析  17-18
    1.2.2 国产高功率光纤激光器发展潜力巨大  18-19
  1.3 本文主要研究内容及结构安排  19-20
第二章高功率连续波宽谱光纤激光器  20-29
  2.1 小芯径高功率密度保偏光纤激光器  20-26
    2.1.1 高功率保偏光纤激光器的发展现状  20
    2.1.2 高功率光纤激光器功率极限探究  20-23
    2.1.3 小芯径光纤实现高功率保偏激光输出  23-26
  2.2 10 微米芯径的高功率光纤激光器实验研究  26-28
  2.3 本章小结  28-29
第三章高功率连续波单频光纤激光器  29-52
  3.1 种子激光器的方案选择  29-32
    3.1.1 单频光纤激光器的典型方案  30-31
    3.1.2 短腔单频激光器  31-32
  3.2 SBS 效应及其抑制  32-39
    3.2.1 SBS 效应概述  32-33
    3.2.2 光纤中的SBS 及数率方程模型  33-34
    3.2.3 大波长间隔增益竞争抑制SBS 数值仿真  34-39
  3.3 国产高功率单频光纤激光器  39-44
  3.4 基于同带泵浦的单频光纤放大器  44-47
  3.5 基于直接泵浦与同带泵浦的新型混合放大器  47-50
  3.6 本章小结  50-52
第四章全文总结及展望  52-54
  4.1 论文的主要工作  52-53
  4.2 工作展望  53-54
致谢  54-55
参考文献  55-60
作者在学期间取得的学术成果  60-61

基于国产器件的高功率光纤激光器

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