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掺镱双包层光纤激光器的研究

詹仪  
【摘要】: 同固体激光器相比,双包层光纤激光器因具有高效率、高光束质量、良好的光谱特性、结构紧凑和散热特性好等优点,而成为国内外研究的热点。并己在光通信、工业加工、军事和医疗等领域获得重要应用。近年来,双包层光纤的出现,将光纤激光器的输出功率从毫瓦量级提高到了百瓦乃至千瓦量级,扩展了光纤激光器的应用范围。由于镱离子发射谱主要位于1μm波段,因而掺Yb~(3+)双包层光纤成为目前1μm高功率光纤激光器的最有实用价值的增益介质。本文对掺Yb~(3+)双包层光纤激光器进行了深入的理论和实验研究。主要内容和创新之处概括如下: 本论文详细研究了纤芯参数和内包层参数对光纤激光器输出功率的影响。采用几何光学和纤维光学模式理论的方法,分析了不同内包层结构的双包层光纤对包层泵浦光纤激光器性能的影响。对双包层光纤纤结构的优化设计,提高泵浦效率与激光输出功率等具有重要的意义。 从速率方程和功率方程出发,建立了包层泵浦掺Yb~(3+)双包层光纤激光器的理论模型,获得了激光器泵浦阈值功率、输出光功率和斜率效率的解析表达式。分析了光纤长度、腔镜反射率、泵浦方式、泵浦波长和激射波长等因素对激光器输出特性的影响。结果表明,激光器的性能参数受其结构参数的影响很大,激射波长最佳值在1090nm附近。为优化设计双包层光纤激光器提供了理论基础。 利用速率方程小信号近似方法对光纤激光器的自脉冲行为和泵浦起伏对光纤激光器输出特性的影响进行了系统的理论研究。研究发现,增加输出端的反馈和增加粒子的浓度可以抑制自脉冲现象。当泵浦光扰动频率和共振频率相近时,会呈现出振动加强现象。并提出增加光纤激光器输出稳定性的措施。 对双包层光纤激光器中的非线性效应受激布里渊散射和受激拉曼散射进行了研究。利用数值方法模拟分析了光纤激光器中的受激布里渊散射和受激拉曼散射特性,分析了纤芯直径、光纤长度,激射波长的线宽和泵浦方式对光纤激光器中的受激布里渊散射阈值影响。结果表明增大纤芯直径、减小光纤长度、降低激射波长的线宽,可以有效的克服光纤激光器的受激拉曼散射和受激布里渊散射。采用后向泵浦,或者采用后向泵浦功率比前向泵浦功率高的非对称泵浦方式,可以有效的削弱高功率光纤激光器的受激拉曼散射。 进行了LD端面泵浦掺Yb~(3+)双包层光纤激光器的实验研究。解决了光纤激光器的端面泵浦耦合系统的设计、光纤端面研磨等问题。在6.9W泵浦功率下,激光输出功率达到5.3W、斜率效率为76.8%。研究了不同光纤长度下,光纤激光器的输出特性。 通过降低前腔镜的反射率,调节光纤端面与前腔镜的距离形成Fabry-Perot滤波器,实现了双包层光纤激光器的窄线宽输出。当LD电流为25A时,输出功率达到1.34W,斜率效率为25%。


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