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窄线宽光纤放大器的理论和实验研究

冷进勇  
【摘要】:近年来光纤激光器和放大器的输出功率不断攀升,并以高亮度、高效率的优势逐渐渗透到各个应用领域。相干合成、谱合成以及频率转换等特殊领域,对光源的线宽有较高的要求(一般小于0.1nm),因此,高功率窄线宽光纤放大器成为光纤激光领域的研究热点。窄线宽光纤放大器的输出功率往往受限于受激布里渊散射(SBS)效应。本文对两种特殊的窄线宽光纤放大器——单频和多单频光纤放大器进行了较为全面的理论和实验研究,探索提升其输出功率的方法。其中,单频光纤放大器的信号光线宽小于或与光纤中布里渊散射的增益线宽在同一量级(通常小于100MHz),而多单频光纤放大器则是指以多个单频光源为信号光的窄线宽光纤放大器。另外,对单频拉曼光纤放大器(SF-RFA)中SBS效应的抑制也进行了理论分析和数值模拟。论文主要内容如下: 一、单频光纤放大器的理论和实验研究 首先,建立单频光纤放大器的理论模型,并以此为基础讨论了单频光纤放大器中SBS效应的影响因素。通过在模型中加入温度和应力分布,研究了利用增益光纤自身温度分布和外界施加的温度或应力分布来抑制SBS效应。搭建全光纤结构的高功率单频掺镱光纤放大器实验平台,对其中SBS效应的监测和防护进行了研究。在确保放大器安全稳定的前提下,讨论了增益光纤长度和传能光纤长度对SBS阈值功率的影响,最终得到120W单频激光输出,为目前国内的最高水平。 其次,增益竞争双波长放大单频光纤放大器通过降低信号光的谱功率密度,能有效地抑制SBS效应,论文对其进行了详细的介绍,并建立相应的理论模型,对影响单频信号光放大效率和SBS效应抑制效果的因素进行讨论。设计了以1064nm单频和1040nm宽谱信号光为种子的增益竞争双波长放大单频光纤放大器,通过优化种子功率比,使放大器的SBS阈值功率提高0.5倍。 二、多单频光纤放大器的理论和实验研究 多单频放大方式能大幅提升放大器的SBS阈值功率,有望成为光纤激光相干合成中成量级提升单链路输出功率的有效途径。 首先,建立了双单频光纤放大器的理论模型,讨论了信号光种子功率比和线宽对放大器SBS阈值功率的影响。进行了低功率双波长双单频和高功率单波长双单频光纤放大器实验,相对于单频放大,SBS阈值功率分别提升了1.29倍和0.4倍,较好地验证了理论模型。在高功率双波长三单频和相位调制多单频光纤放大器实验中,均得到275W的放大光输出,为目前多单频放大的最高功率,且放大器的输出功率仅受限于泵浦功率,仍有进一步提升的空间。 其次,提出综合使用增益竞争双波长放大和多单频放大的增益竞争多波长放大多单频光纤放大器思想,建立了采用两个单频信号光和一个宽谱信号光的增益竞争三波长放大双单频光纤放大器的理论模型,并开展了验证性实验。研究表明,增益竞争三波长放大可使放大器的SBS阈值功率提升近2倍,理论模型得到了较好的验证。 三、SF-RFA的理论研究和数值模拟 SF-RFA的输出功率同样受限于SBS效应,论文对此开展了理论方面的研究,建立了SBS效应限制下的SF-RFA的理论模型,并以此为基础进行了单路SF-RFA的优化、SBS效应的抑制以及级联放大等方面的数值模拟,以期将单路SF-RFA的输出功率提升至满足实际需求的水平。


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