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光纤相位共轭技术的理论与实验研究

周涛  
【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Cr~(4+):Nd~(3+):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Cr~(4+):Nd~(3+):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Cr~(4+):Nd~(3+):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Nd~(3+):YVO_4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。


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