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多芯光纤激光器及新波长固体激光器

张晓磊  
【摘要】:本论文研究内容包括两部分,一部分是多芯光纤激光器的理论研究;另一部分是掺钕钆镓石榴石(Nd:GGG)晶体激光器在新波长运转的实验研究。 随着高功率光纤激光器的应用范围逐渐从光通信领域扩展到机械加工、材料处理、激光医疗、热核聚变、航空和军事等行业,百瓦乃至千瓦量级高功率光纤激光器成为当今光电子技术研究领域中最炙手可热的研究课题。但是由于非线性效应、放大自发辐射及热损伤阈值等因素的限制,传统单根光纤激光器的输出功率受到限制。因此科学家们采用双包层泵浦技术、光子晶体光纤、光纤激光器相干组束等多种方案,来提高光纤激光器的输出功率。而多芯光纤是最近提出的一种新的相干合成解决方案,同时满足高激光功率输出、稳定的位相锁定和高的光束质量,是实现高功率光纤激光器的最佳方案。 开拓新波段以适应各种应用需求一直是晶体激光器的重要研究方向。掺钕钆镓石榴石(Nd:GGG)晶体与其他掺钕晶体相比,具有优良的激光性能和物理化学性能,已经在大功率热容激光器和LD泵浦激光器中得到广泛应用。目前已报道的Nd:GGG晶体激光器输出波长一般为1062nm,1331 nm和938 nm。 目前1110nm激光主要由掺镱光纤激光器获得,应用于通信、机械加工等领域。1110nm激光可以作为产生谐波的光源,倍频产生555 nm的黄绿光,位于人眼最敏感波长,在医疗、生物检测分析等方面有重要应用。 本论文研究内容可概括为两个方面:一方面是关于多芯光纤中超模传导特性,超模选择,及多芯光纤激光器的理论研究,另一方面是掺钕钆镓石榴石(Nd:GGG)晶体激光性能的研究,对其在新波长1110 nm附近的输出特性进行实验研究和分析。 本论文主要研究内容包括: 1.理论推导获得多芯光纤中的耦合模方程,并计算和分析三芯、四芯、六芯和七芯光纤中的超模特性,获得各个超模的近场和远场强度分布。计算各个超模的衍射及传输特性时,分别采用M2因子和桶中功率(PIB)来衡量其光束质量。通过比较可以得出在任意多芯光纤中,同相位超模总是具有最大的传播常数和最好的光束质量,其远场强度分布为准高斯分布。桶中功率(PIB)的计算在非连续模场分析中得到更好的应用。解析的耦合模理论适用于任何符合弱耦合的多芯光纤,与数值法相比更加直观。 2.以三芯、四芯、六芯和七芯光纤为例,分别对环型、有心型多芯光纤中各个超模与单模光纤中的基模的耦合效率进行讨论。在单模光纤纤芯半径和两种光纤之间的间隙距离均为变量的情况下,对不同类型多芯光纤中的各个超模和单模光纤基模之间的耦合效率进行分析和优化,理论结果表明由于环型和有心型光纤中超模分布的不同特性,其与单模光纤中基模的耦合呈现出不同特点。为两种光纤的耦合连接提供了理论依据。 3.基于三芯、四芯、六芯和七芯光纤中耦合效率的分析,提出一种新型选模机制,即利用单模光纤进行选模。提出利用耦合效率差来衡量不同机制中同相位超模的选择效率,优化后与传统塔尔伯特腔进行比较,证明单模光纤选模机制对环型和有心型多芯光纤中同相位超模的选择均具有优越性和灵活性,在实际应用中具有很大潜力。 4.建立速率方程,以环形六芯光纤和有心型七芯光纤为例,对基于单模光纤选模机制的多芯光纤激光器进行理论模拟,获得信号光的功率传输和输出特性。单模光纤选模为求解速率方程提供边值条件,因此系统中耦合效率的变化将引起信号光输出功率的变化。模拟结果显示信号光输出和耦合效率成正比,同相位超模输出功率在总输出功率中所占比例与耦合效率差几乎成正比,因此验证了采用耦合效率差来衡量同相位超模选择效率的合理性。理论模拟显示基于单模光纤选模机制的六芯和七芯光纤激光器可以获得较高的光-光转换效率,优化后均可以实现同相位超模的单模输出,该研究为高功率高亮度的多芯光纤激光器的实现提供了理论基础。 5.对掺钕钆镓石榴石(Nd:GGG)晶体的激光性能进行研究,获得1110 nm激光输出。实验过程中获得LD侧泵Nd:GGG晶体激光器1110nm和1105nm双波长连续运转,两种波长之间存在竞争。采取在谐振腔中插入另外一片平面镜的方法,可以成功地将1110nm选择出来。该平面镜对1110nm,1105nm及808nm均高透,通过微调其相对激光方向的角度,可以改变不同波长处的腔内损耗,从而抑制1105 nm的振荡,实现1110nm单波长运转。本论文主要创新点如下: 1.以耦合模理论和基尔霍夫衍射理论为基础,首次对环型三芯、六芯和有心型四芯、七芯光纤中的各个超模的近场及远场特性做了系统分析和比较,并采用M2因子和桶中功率(PIB)两种不同参数理论计算各个超模的光束质量因子,证明同相位超模的光束质量明显高于其他超模。所建立的完整理论模型,可以用来对任何满足弱耦合条件的多芯光纤进行完善的模场分析。 2.首次对单模光纤和多芯光纤之间的模式耦合效率进行系统的分析和优化。通过调节单模光纤纤芯尺寸和两者之间的间隙距离,对耦合效率和耦合效率差进行理论优化,并展示了不同类型多芯光纤与单模光纤之间耦合的不同特点。理论模拟结果为实际实验操作过程中光纤之间的耦合提供详细可靠的参考依据。 3.首次提出利用单模光纤对多芯光纤进行选模,在单模光纤选模机制下对两类光纤与单模光纤之间的耦合特性进行优化和比较,证明单模光纤选模可以完全抑制环型多芯光纤中的高阶超模,同时可以抑制有心型多芯光纤中除同相位超模和反相位超模以外的高阶超模。提出使用耦合效率差来衡量同相位超模的选择效率,通过与塔尔伯特腔比较,单模光纤对同相位超模的选择效率可以提高一倍以上,从而证明单模光纤选模机制的有效性和优越性。 4.首次从理论上获得单模输出的基于单模光纤选模机制的全光纤多芯光纤激光器。基于速率方程理论,对单模光纤选模环型六芯光纤和有心型七芯光纤激光器进行理论模拟,证明此种机制下,信号光输出功率与耦合效率的大小成正比,而同相位超模在总输出功率中所占比例几乎与耦合效率差成正比,从而证明采用耦合效率差衡量同相位超模选模机制的科学性。优化后均可以得到同相位超模的单模输出,从而为实现高功率高亮度的全光纤多芯光纤激光器提供了理论依据。 5.首次实验获得LD侧泵Nd:GGG晶体激光器在1110nm处的连续运转。首次实现了LD侧泵Nd:GGG晶体激光器1110nm和1105nm双波长连续运转,并采用插入高透平面镜从而改变腔内损耗的方法对两种波长之间的竞争进行控制,最终获得1110 nm处的单波长运转。


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