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《南开大学》 2007年
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掺镱双包层光纤放大器和激光束相干合成的基础研究

郭占城  
【摘要】: 高功率、高光束质量输出的激光系统在科学研究、工业生产和军事装备等诸多领域中具有重大应用价值,自从激光器诞生之日起就成为人们追求的目标;近几年激光束的相干合成技术(或相干组束技术)成为实现这一目标的重要手段并成为人们研究的热点。本文将激光束相干合成技术和双包层光纤的包层泵浦技术相结合,进行了采用掺镱双包层光纤作为增益介质的激光束相干合成的基础研究,得出了一系列结果,为进一步的工作打下了重要的基础。 本论文研究的内容及创新点主要包括以下几个方面: 1.首先对激光束相干合成的历史和发展现状做了一个综述,介绍了国内外这一领域研究的最新进展。接着我们介绍和讨论了相干合成技术的主要分类和它们各自实现相干输出的原理和主要特点。然后我们介绍了双包层光纤中的包层泵浦技术,并指出掺镱双包层光纤激光器具有的如结构紧凑易组束、模式质量好等特点使它在进行激光束相干合成的研究和应用中具有不可替代的优势。这正是本论文的立意所在。 2.基于D.C.Jones等提出的考虑放大的自发辐射的双包层掺镱光纤放大器的模型,推导了放大器的信号光、泵浦光、自发辐射的速率方程和上能级粒子数密度在稳态条件下的解;然后我们从以上的速率方程组出发,模拟了放大器结构参数对激光输出特性的影响。给出了光纤放大器中泵光、放大的信号光以及前、后向放大的自发辐射沿光纤长度方向的分布,放大的信号光和泵光之间的关系,以及放大器输出光的光谱图和ASE抑制光谱图。 3.基于Corcoran等提出的自傅立叶腔实现激光束相干合成的方案,我们选取了实验室使用的一种掺镱双包层光纤的结构参数、工作波长设计了一维自傅立叶腔,并模拟了自傅立叶腔输入面上各光纤激光器的振幅分布。 4.研究了大模面积掺镱双包层光纤放大器。对于我们所采用的后向泵浦方式,无论是否有信号光,均存在前向泵光功率向后向放大的自发辐射或放大的信号光的能量转移,要想获得较大的放大器输出功率宜采用后向泵浦的方式。信号光的加入使放大的自发辐射受到一定程度的抑制,使整个系统的光光转换效率提高。并联主振荡功率放大实现相干合成的方案的相干性要求各路放大器输出激光的线宽尽量窄,但高功率输出条件下窄线宽的激光输出容易受光纤中非线性效应的影响,综合考虑这两种因素,我们研制的掺镱双包层放大器其输出光既保持了信号光的优良光谱特性,又可以有效压制受激布里渊散射。放大器输出激光的线宽约为0.027nm,对应相干长度约为4cm,对于相干性的操作长度已经足够;输出激光线宽对应的频谱宽度为7.2GHz,足可以压制受激布里渊散射(约100MHz带宽)。 5.研究了Er3+/Yb3+共掺双包层光纤放大器的偏振特性。以椭圆长轴方位角和偏振度这对参量来表征光的偏振态,对双包层光纤放大器的偏振态的演化及其稳定性进行了研究。要想使双包层光纤放大器输出的光具有良好的偏振特性-偏振度高且偏振态稳定,就必须在控制光路中加入起偏器以确保其高的偏振度,配合使用偏振控制器就可以保证高的偏振度和偏振方向的可控性。如果能在信号源光纤回路中使用保偏光纤和在放大增益阶段采用双包层保偏光纤,则会使整个放大器系统输出光的偏振态的稳定性进一步提高。对于连续波操作条件和锁模脉冲操作条件都有上述结论,不同的是锁模脉冲工作模式下,光的偏振度整体下降,但偏振态的稳定性却有所提高。 6.将改进的迈克尔逊激光腔实现相干合成的方案和包层泵浦技术相结合,并提出在迈克尔逊腔的一臂上增加延时结构以方便臂长差的优化,在掺镱双包层激光器中实现了激光束的部分相干合成。经过初步的实验,我们得出:如果增益光纤的长度有较大差别以致光谱增益区间没有重叠时,是不可能实现相干合成的;使用对激光较低反射率的输出境会提高激光系统的输出功率,但如果反射率太低则不能提供足够的反馈使迈克尔逊腔结构的两路同时起振,选择腔镜要权衡这两个因素;我们使用偏振态、光谱和功率增量比几种手段来描述合成光的相干程度并相互印证,证明在我们的实验中采用改进的迈克尔逊激光腔结构实现了两路掺镱双包层激光器的部分相干合成,不过合成效率较低;在高功率工作条件下合成光的相干性下降。结合理论部分对迈克尔逊激光腔实现相干合成的限制的简单估计可知,虽然这种相干合成的方法具有高的相干合成效率,但不适用于大阵列激光器的相干合成和高功率的操作条件。 7.研究了多波长可转换掺镱双包层光纤激光器。我们在掺镱双包层光纤上利用相位掩模法直接刻写Bragg多模光栅实现了多波长可转换输出的实验结果,分别得到单波长(1060.8 nm)、双波长(1060.6 nm、1061 nm)、三波长(1059.2 nm、1060.4 nm、1061 nm)、四波长(1060.7 nm、1061 nm、1061.2 nm、1061.4 nm)的输出结果。波长线宽均小于0.02 nm,边模抑制比都在20 dB以上,最高输出功率为6.12 W,斜率效率为40%。 8.参与研制了全国产器件掺镱双包层光纤激光器样机,激光器采用端面泵浦形式,线性谐振腔结构,激光直接从光纤后端面输出。激光输出功率达到了12W,斜率效率为76.9%,长时间稳定输出,功率波动在0.5%以内。
【学位授予单位】:南开大学
【学位级别】:博士
【学位授予年份】:2007
【分类号】:TN253

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