高平均功率光纤脉冲激光技术研究

【摘要】：1961年，世界上第一台激光器发明，激光技术由此飞速发展。激光器的种类由工作的物质的不同可分为固体激光器、气体激光器、染料激光器等。光纤激光器作为一种新型的固体激光器，与传统的固体激光器相比较，以光纤波导为工作介质的光纤激光器具有光束质量好、转换效率高、便于热管理和结构紧凑、使用轻便灵活等等许多优点，在工业加工、激光医疗、科学研究和军事国防等领域具有广泛应用。目前，国际上单根连续光纤激光器的输出功率已经达到万瓦水平。但是Dawson等人的研究分析认为，按照目前的材料和条件，对于宽带光纤激光器，输出衍射极限激光的功率上限为36.6kW，对于窄带宽光纤激光器，输出上限则是18.6kW。采用脉冲工作方式的光纤激光器可实现极高峰值功率的激光输出，在激光与靶目标相互作用、非线性频率转化等应用方面弥补了连续光纤激光的诸多局限，是高功率光纤激光技术领域的一个重要研究方向。本文主要对窄光谱宽度的脉冲光纤激光器、高平均功率光纤放大器及其倍频技术进行了详细的实验研究。 第一章对掺Yb3+双包层光纤进行了简单介绍。重点分析了光纤激光获得脉冲激光输出的三种主要方法：调Q技术，锁模技术，种子光主振荡-放大（MOPA）技术，并给出了国内外研究机构的一些典型研究成果。介绍了光纤激光倍频技术的典型结构和实验结果。 第二章对基于掺Sm3+光纤可饱和吸收特性的被动调Q光纤激光技术进行了理论和实验研究。首先分析了被动调Q激光器的基本理论，并介绍了全光纤化被动调Q光纤激光器的关键技术及核心部件。实验研究了以掺Sm3+光纤作为可饱和吸收体全光纤化被动调Q脉冲光纤激光器技术，采用三种腔结构，分别实现了激光波长1064nm平均功率2.3W，脉冲宽度450ns，重复频率18kHz；激光波长1080nm平均功率2.26W，脉冲宽度648ns，重复频率310kHz；激光波长1080nm平均功率1.93W，脉冲宽度816ns，重复频率212kHz的典型实验结果。 第三章主要研究了全光纤化的高平均功率脉冲光纤放大器技术，采用电流直接调制的半导体激光器为种子光源，通过掺Yb3+光纤级联放大（MOPA）结构，获得了平均功率101W，脉冲宽度16.7ns，重复频率51kHz的高平均功率脉冲激光输出。采用被动锁模的皮秒级光纤激光器为种子光源，通过一级光纤放大器，成功获得了平均功率102W，脉冲宽度76ps，重复频率18.6MHz，中心波长1064nm，光谱半高宽度仅为0.16nm的激光输出。利用高平均功率的皮秒级脉冲光纤激光器，初步开展了激光精细加工的实验研究。 第四章主要对脉冲光纤激光器的倍频技术进行了理论和实验研究，首先介绍了非线性频率转换的基本理论以及实现相位匹配的方法，分析了激光光谱宽度对倍频转换效率的影响。建立了以窄谱宽声光调Q光纤激光器为种子光源，以保偏掺Yb3+双包层光纤为放大器的脉冲光纤放大系统，得到了15W的窄谱宽线偏振的脉冲激光输出。采用非临界相位匹配的KTP晶体为倍频元件，通过腔外单通倍频，在基频光为13.7W时获得了3.5W的540nm的脉冲绿光激光输出。 本工作的创新点有：(1)对于掺Sm3+光纤作为可饱和吸收体的全光纤脉冲激光器，分别实验研究了单、双腔结构的激光系统，并均得到了稳定的脉冲输出，并对其输出特性进行了分析；(2)实现了纳秒级全光纤激光器的工程化样机的装配；(3)采用一级MOPA结构，试验成功了102W高平均功率窄谱宽皮秒脉冲全光纤激光系统，并应用这套系统进行了工业加工实验。(4)使用非临界相位匹配的KTP晶体，对光纤输出的窄谱宽高平均功率线偏振纳秒级脉冲激光进行了倍频实验，光-光转化效率达25.5%。