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《国防科学技术大学》 2009年
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共腔耦合式光纤激光器相干合成技术研究

雷兵  
【摘要】: 高功率高亮度的激光源在工业加工、自由空间光通信、激光雷达和定向能等领域具有重要应用,光纤激光束的相干合成是获得这类激光源的重要技术手段,而共腔耦合是多路光纤激光器通过无源自调整过程实现相干合成的有效途径。无源自调整相干合成方案结构简单,易于实现,但合成阵列通常在稳定性、效率和可扩展性等方面存在问题。本文提出了基于公共光纤环形腔耦合与单模光纤滤波的光纤激光器阵列锁相方案,为提高无源自调整相干合成阵列的稳定性、效率和可扩展性提供了一种新而有效的技术途径。利用迈克尔逊型耦合腔进行光纤激光器的相干合成是一种公共外腔耦合式相干合成技术,具有公共外腔耦合和共线干涉合成方案的一些特点。本文主要针对这两种典型的共腔耦合式光纤激光器相干合成技术方案展开了理论与实验研究,所取得的研究成果主要有以下几个方面: 1.提出了基于公共光纤环形腔耦合的光纤激光器相干合成方案。方案中采用全光纤结构的环形耦合腔并通过多端口并排发射相干激光束,使合成阵列的稳定性、效率和可扩展性得到了一定的提高;利用该方案在实验上成功实现了三路光纤激光器的被动锁相输出,获得了约90%的合成效率;将公共环形腔耦合结构应用于两路环形腔激光器与可调谐激光器的相位锁定,也获得了较高效率的锁相输出,表明所提的公共光纤环形腔耦合式锁相方案对环形腔与可调谐光纤激光器也是适用的。 2.理论上建模分析了公共光纤环形腔的特性,确定了设计适于锁相的公共环形耦合腔时应遵循的基本原则,并结合实验研究结果得到如下结论:较佳的成环耦合比为20%~30%之间,且耦合比的少许偏差对锁相效果几乎没有影响。 3.在共腔耦合锁相方案中引入了单模光纤滤波技术,使得激光束各发射阵元之间形成了稳定的相位关系,研究了单模光纤滤波在控制远场光强分布与提高锁相稳定性两方面的作用,指出了通过并排组合方式实现相干合成时采取空间滤波选模措施的必要性。 4.提出了f‐f结构的迈克尔逊型耦合外腔,并在理论上分析了该耦合外腔的能量传输特性,找到了调节外腔时需要重点控制的误差量。采用f‐f结构的迈克尔逊型耦合外腔,在实验上实现了两路光纤激光器的相干合成,并验证了f‐f结构的耦合外腔在增强单元激光器间的能量耦合与提高合成效率方面的作用。 5.运用薄膜光学中的特征矩阵分析法,研究了迈克尔逊型耦合腔中分束器的相移特性,推导了两束相干光经过分束器分束后进行相干叠加时相位应满足的普适关系,并从物理机理上解释了分束器一侧发生相长干涉时另一侧必然发生相消干涉这一实验现象。
【学位授予单位】:国防科学技术大学
【学位级别】:博士
【学位授予年份】:2009
【分类号】:TN248

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