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高功率全光纤激光器及放大器中关键问题的研究

作　者: 黄榜才
导　师: 袁树忠
学　校: 南开大学
专　业: 光学
关键词: 全光纤化大模场面积光纤双包层侧面泵浦技术多模合束器光纤激光器光纤放大器
分类号: TN248
类　型: 博士论文
年　份: 2008年
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内容摘要

本文的研究工作是在国家863计划项目(编号2003AA312100)、总装预研支撑项目(编号41501070408)、天津市科技攻关(编号05YFGZGX02700)等项目的资助下进行的。在大模场面积掺镱双包层光纤、侧面泵浦耦合器和多模光纤合束器研究的基础上,我们对高功率双包层光纤激光器、放大器全光纤化实验中的一些关键问题进行了理论和实验研究。主要研究内容和成果包括以下几个方面:1、对大模场面积掺镱双包层光纤、侧面泵浦光纤耦合器和多模光纤合束器进行了研究。利用MCVD工艺结合溶液掺杂技术,首先研制出了国产性能优良的大模场面积掺镱双包层光纤,大模场面积掺镱双包层光纤的有效吸收系数有了较大提高,由原来的1dB/m提高到4dB/m,纤芯的数值孔径由原来的0.15降到0.07。首次提出采用熔融拉锥工艺解决泵浦光功率的侧面泵浦问题。研制出侧面泵浦耦合器的泵浦光耦合效率:74%;信号光耦合效率:95%;信号输入端与泵浦输入端的隔离度:>50 dB;泵浦输入端对输出端反向传输光的隔离度: 20 dB;承受峰值功率:>15kW。在实验中有效的起到了泵浦耦合与保护LD的作用。利用熔融拉锥工艺结合光纤熔接,进行了多模光纤合束器的研究。研制出了结构分别为3x1、6x1两种多模光纤合束器,实现了最大93%的高耦合效率。满足实验中高效泵浦耦合的需要。2、对高功率掺镱双包层光纤激光器、放大器的相关理论进行了研究。采用全光谱法建立了掺镱双包层光纤放大器稳态和瞬态的粒子数速率方程。基于稳态条件下的粒子数速率方程,计算了上能级粒子数的分布情况和功率输出特性。结果表明:光纤内上能级粒子数呈中间大,两头小的规律分布;输出功率随着光纤长度的增加逐渐提高,但是达到最大值会出现功率饱和。基于瞬态粒子数速率方程,计算了不同脉冲的放大特性,结果表明不同形状的脉冲在放大过程中会产生不同程度的变形,其中方波脉冲、超高斯脉冲的变形较多,而高斯脉冲、双曲正割脉冲的变形较小。3、对全光纤化掺镱双包层光纤激光器进行了实验研究。采用双包层光纤载氢和相位掩模法写制了激光器腔镜的光纤光栅。利用光纤光栅做前腔镜、双包层光纤后端面输出的结构设计,研究了不同光纤长度下激光器的输出特性。实验中发现减少增益光纤的长度,激光器的输出功率和斜率效率逐渐提高,泵浦阈值也更大,和理论模拟的结果相一致。采用DBR结构熔接的双包层掺镱光纤激光器,获得了1.48W高稳定、高信噪比的激光输出,激光器输出波长1054.6nm,激光线宽为0.21nm。在此基础上完成了一台输出功率达到20W的全光纤掺镱双包层光纤激光器。4、对脉冲输出的全光纤掺镱双包层光纤放大器进行了理论和实验研究。利用自行研制的掺镱双包层光纤,首次将光纤侧面耦合器和主振荡功率放大技术相结合,实现了全光纤结构的脉冲光纤放大器。研究了激光输出功率随重复频率的变化关系,以及放大过程中对激光脉冲宽度的压缩作用,实验结果与理论计算结果吻合。研究了侧面分布式泵浦、两级全光纤连接的掺镱双包层脉冲光纤放大器,实现了平均输出功率2.12W、脉冲宽度20ns、重复频率50KHz的高功率、高重复频率的全光纤双包层脉冲光纤放大器,并完成了样机的研制。实验中侧面泵浦耦合器成功的隔离了回波脉冲对泵浦光源的影响,解决了泵浦光源的损坏问题。5、对全光纤结构的高功率、窄线宽掺镱光纤放大器进行了实验研究。通过自行研制的高掺镱光纤和光纤光栅对,进行了DBR结构的窄线宽信号源的实验研究。实现了中心波长1052.746nm、输出功率107.8mW、带宽0.078nm、光学信噪比达76dB、斜率效率46.3%的稳定激光输出,研制出了窄线宽、高输出功率、高稳定性的种子源。在窄线宽掺镱双包层光纤放大器实验研究中采用侧面泵浦技术,进行了一级全光纤结构的窄线宽掺镱双包层光纤放大器实验研究。优化了信号源泵浦功率的设定、整体结构的设计,实现了放大信号功率为1.07W,信号增益为18dB。首次实现了输出功率达到15W以上全光纤化结构的窄线宽掺镱双包层光纤放大器。实验采用自己研制的高耦合效率的多模泵浦合束器和侧面泵浦耦合器,通过两级全光纤放大,实现了最大15.18W的放大信号输出,信号放大增益12dB。

全文目录

摘要  4-6
ABSTRACT  6-12
第一章绪论  12-29
  1.1 高功率光纤激光器及放大器研究概述  12-20
    1.1.1 高功率光纤激光器  12-15
    1.1.2 高功率光纤放大器  15-20
  1.2 高功率光纤激光器及放大器关键技术  20-26
    1.2.1 光纤研制技术  20-22
    1.2.2 泵浦耦合技术  22-24
    1.2.3 模式控制技术  24-25
    1.2.4 功率合成技术  25-26
  1.3 高功率光纤激光器及放大器应用前景  26-27
  1.4 本论文的主要研究内容  27-29
第二章全光纤激光器及放大器中关键器件的研究  29-46
  2.1 大模场面积掺镱双包层光纤  29-34
    2.1.1 大模场面积掺镱双包层光纤制备技术的研究  29-32
    2.1.2 试验样品测试及分析  32-34
  2.2 光纤侧面泵浦耦合器  34-39
    2.2.1 基本原理和结构  34-35
    2.2.2 光纤侧面泵浦耦合器的实验研究  35-37
    2.2.3 光纤侧面泵浦耦合器的优化  37-39
  2.3 多模光纤合束器  39-44
    2.3.1 多模光纤合束器的基本原理及结构  39-42
    2.3.2 多模光纤合束器的研制  42-44
  本章小结  44-46
第三章高功率掺镱光纤激光器及放大器的基本理论  46-63
  3.1 Yb~(3+)离子的能级结构和光谱特性  46-49
    3.1.1 Yb~(3+)离子的能级结构  46-48
    3.1.2 Yb~(3+)离子的光谱特性  48-49
  3.2 高功率掺镱光纤激光器的输出特性  49-55
    3.2.1 高功率光纤激光器谐振腔  49-50
    3.2.2 高功率掺镱光纤激光器的输出特性  50-54
    3.2.3 激光器阈值、输出功率与光纤长度的关系  54-55
  3.3 高功率掺镱光纤放大器的理论模拟  55-62
    3.3.1 高功率掺镱光纤放大器理论模型  55-57
    3.3.2 输出特性的理论模拟  57-62
  本章小结  62-63
第四章连续输出全光纤掺镱光纤激光器实验研究  63-77
  4.1 全光纤化光纤激光器的谐振腔  63-64
  4.2 光纤光栅的研制  64-68
    4.2.1 光纤光栅制作技术  64-65
    4.2.2 双包层光纤光栅的研制  65-66
    4.2.3 实验测量和结果  66-68
  4.3 光纤光栅选频的全光纤掺镱双包层光纤激光器  68-74
    4.3.1 光纤光栅的选频原理  68
    4.3.2 光纤光栅做前腔镜的掺镱光纤激光器  68-71
    4.3.3 DBR 结构熔接的双包层掺镱光纤激光器  71-73
    4.3.4 实验结果讨论  73-74
  本章小结  74-75
  附录：全光纤结构掺镱双包层光纤激光器样机介绍  75-77
第五章脉冲输出全光纤掺镱光纤放大器实验研究  77-90
  5.1 高功率脉冲激光输出的主要方案  77-80
    5.1.1 调Q 脉冲光纤激光器  77-79
    5.1.2 脉冲放大的光纤放大器  79-80
  5.2 基于侧面泵浦耦合的全光纤掺镱光纤放大器  80-83
    5.2.1 实验装置  80-81
    5.2.2 实验结果和讨论  81-83
  5.3 分布式侧面泵浦耦合的全光纤掺镱光纤放大器  83-87
    5.3.1 实验装置  83-85
    5.3.2 实验结果和讨论  85-87
  本章小结  87-88
  附录：全光纤结构掺镱双包层脉冲光纤放大器样机介绍  88-90
第六章窄线宽全光纤掺镱光纤放大器实验研究  90-107
  6.1 窄线宽光纤激光器的特点  90
  6.2 窄线宽光纤激光器种子源的研制  90-96
    6.2.1 窄线宽光纤激光器的主要研制方案  90-93
    6.2.2 窄线宽光纤激光器种子源的研制  93-96
  6.3 一级窄线宽全光纤掺镱光纤放大器实验研究  96-100
    6.3.1 实验装置  96-97
    6.3.2 几个技术问题的讨论  97-99
    6.3.3 实验结果及分析  99-100
  6.4 两级窄线宽全光纤掺镱光纤放大器实验研究  100-104
    6.4.1 实验装置  101
    6.4.2 实验结果及分析  101-104
  本章小结  104-105
  附录：全光纤结构窄线宽掺镱双包层光纤放大器样机介绍  105-107
总结  107-110
参考文献  110-117
致谢  117-118
个人简历及读博期间发表的学术论文与科研成果  118-119

高功率全光纤激光器及放大器中关键问题的研究

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