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掺镱光纤激光级联泵浦技术研究

肖虎  
【摘要】:高功率光纤激光器是近年来国际上的研究热点。受泵浦源亮度和热效应等因素的限制,由半导体激光器直接泵浦的光纤激光器输出功率目前仍停留在千瓦量级。光纤激光级联泵浦方案具有泵浦光亮度高,量子亏损小等优势,相比于半导体激光器直接泵浦方案具有更大的功率提升潜力,成为近年来国际上的研究热点。目前输出功率最高的光纤激光器正是由多路光纤激光级联泵浦掺镱光纤实现的。论文基于掺镱光纤激光器,对光纤激光级联泵浦技术进行理论和实验研究。 首先对级联泵浦掺镱光纤激光器的波长选择进行了系统分析。根据镱离子的吸收发射特性,综合考虑非线性阈值和激光器效率,确定了用于级联泵浦掺镱光纤的最优波长位于1020nm附近。在此基础上通过计算信号光取不同波长时的输出效率,确定了信号光的最优波长范围。分析了由1018nm光纤激光同带泵浦的掺镱光纤激光器输出功率的主要制约因素,弥补了已有文献在计算功率极限时的不足之处。根据常规商用光纤器件参数,计算出同带泵浦光纤激光器的功率上限为8.5kW。 为获得用于级联泵浦的高功率光纤激光,对1018nm光纤激光器和放大器为例进行了系统的理论和实验研究。分析了ASE反馈、FBG反射率、光纤参数等对1018nm激光器输出特性的影响并进行了实验验证,得出了抑制ASE并提高激光器效率的方法。通过合理设计激光器参数,实现了476W的1018nm激光输出,为目前国际上公开报道的最高功率。通过理论和实验研究了种子光特性、光纤参数和泵浦光功率等对1018nm光纤放大器的影响,并与1064nm放大器进行了对比分析。实验中获得了最高功率为113W的1018nm放大器输出,为公开文献中已知的1018nm光纤放大器的最高输出功率。将1018nm激光器和放大器的研究结论推广到了其他短波长激光器中,并对980nm和1030nm光纤激光器进行了理论和实验研究。 基于获得的1018nm光纤激光,进行了同带泵浦的理论和实验研究。分析了信号光的回光对1018nm激光器和放大器输出功率的影响。理论计算了976nm和1018nm泵浦时激光器的功率特性、增益光纤内的反转粒子数分布和温度分布。进行了1018nm激光的纤芯和包层同带泵浦实验。在包层泵浦实验中获得了180W的输出功率,放大器效率为89.6%。分析了利用1030nm光纤激光进行同带泵浦的优势和不足并进行了实验研究。结果表明,在确保泵浦光充分吸收的前提下,利用1030nm光纤激光进行同带泵浦仍可获得较高的输出功率和效率。 为缓解泵浦光亮度、非线性阈值和光纤热损伤对输出功率的限制,进一步提高同带泵浦光纤激光器的功率提升潜力,分别对提高1018nm激光亮度、增益光纤吸收系数和涂覆层热损伤阈值的方法进行了探索性研究。提出了采用模场失配法和自组织相干合成提高1018nm激光亮度的方法。分析了利用模场失配型1018nm光纤激光器获得高功率单模输出的可行性并进行了实验验证,实现了85W的单模激光输出,效率为72%。对两路模场失配型光纤激光器的自组织相干合成进行了初步实验研究,实现了55W的基模激光输出,合成效率为90%。分析了增益光纤的吸收系数随温度的变化并进行了实验研究。实验结果表明增加光纤温度可有效提高1018nm的吸收系数。为提高光纤涂覆层的热损伤阈值,分析了使用全玻璃增益光纤时同带泵浦激光器的功率极限,计算结果表明全玻璃光纤相比普通双包层光纤在高功率同带泵浦应用中更具优势。


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