高峰值功率脈沖主振蕩功率放大光纖激光系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)研究.pdf

1、脈沖主振蕩功率放大光纖激光系統(tǒng)（Master-OscillatorPowerAmplifierFiber Laser System, MOPA）以其輸出功率高、光束質(zhì)量好、可靠性高和結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)靈活等優(yōu)勢(shì)在工業(yè)加工、空間激光通訊、激光武器等領(lǐng)域獲得了廣泛應(yīng)用。近年來(lái)，其研究工作主要集中在提高M(jìn)OPA系統(tǒng)的峰值功率和光束質(zhì)量等方面，而放大過(guò)程中系統(tǒng)產(chǎn)生的自發(fā)放大輻射、非線性效應(yīng)、多模耦合效應(yīng)等一直是制約峰值功率和光束質(zhì)量提高的重要因素。本論文

2、針對(duì)MW級(jí)高峰值功率MOPA脈沖光纖激光系統(tǒng)開展研究，旨在探索抑制放大過(guò)程中產(chǎn)生的自發(fā)放大輻射、非線性效應(yīng)和多模耦合等問題的方法，提高系統(tǒng)的光脈沖峰值功率和光束質(zhì)量，實(shí)現(xiàn)MW級(jí)峰值功率的脈沖光輸出。
　　1.基于增益光纖能帶理論，分析了Yb3+的躍遷及輻射特性，解釋了ASE效應(yīng)的產(chǎn)生原理；在此基礎(chǔ)上建立了瞬態(tài)激光速率方程，分析了光脈沖寬度和波形對(duì)于脈沖放大畸變的影響；對(duì)放大過(guò)程中幾種非線性效應(yīng)的產(chǎn)生原理進(jìn)行分析，得到非線性效應(yīng)之間

3、的相互制約關(guān)系，分析了幾種非線性效應(yīng)對(duì)輸出光譜和光脈沖形狀產(chǎn)生的影響；對(duì)增益光纖進(jìn)行建模，模擬了不同光纖參數(shù)條件下光纖中的模式分布，為大模場(chǎng)少模光纖的優(yōu)化設(shè)計(jì)提供了依據(jù)。
　　2.針對(duì)脈沖半導(dǎo)體激光器種子源調(diào)制技術(shù)進(jìn)行了理論和實(shí)驗(yàn)研究。對(duì)半導(dǎo)體激光器調(diào)制過(guò)程中的時(shí)間延遲、弛豫振蕩和自脈沖等效應(yīng)的產(chǎn)生機(jī)理進(jìn)行了分析，通過(guò)大信號(hào)調(diào)制和增益開關(guān)法對(duì)弛豫震蕩和自脈沖效應(yīng)進(jìn)行控制，產(chǎn)生穩(wěn)定的脈沖光輸出。在此基礎(chǔ)上采用同軸傳輸原理研制了重復(fù)頻

4、率25 kHz~200kHz的連續(xù)可調(diào)的脈沖半導(dǎo)體激光驅(qū)動(dòng)電源，獲得了最小脈沖寬度為835ps穩(wěn)定光脈沖輸出的激光種子源。
　　3.針對(duì)高峰值功率光纖放大系統(tǒng)中ASE效應(yīng)、非線性效應(yīng)和自激振蕩等開展研究，分析了信號(hào)光功率和波形、增益光纖長(zhǎng)度、泵浦構(gòu)型和端面反射對(duì)上述效應(yīng)的影響，探索抑制 ASE、非線性和自激振蕩效應(yīng)的方法，提高系統(tǒng)光脈沖峰值功率。信號(hào)光輸出功率、增益光纖長(zhǎng)度和泵浦方式對(duì)ASE效應(yīng)激射光的激射功率和激射波長(zhǎng)都有較大影

5、響，光纖長(zhǎng)度與ASE激射光波長(zhǎng)成正比，與ASE激射光功率成反比。在對(duì)mW級(jí)的大信號(hào)放大時(shí)，ASE效應(yīng)隨著信號(hào)光的增加而減小，隨著泵浦光功率的增加而增大。在對(duì)μW級(jí)的小信號(hào)進(jìn)行放大時(shí)，信號(hào)光功率大小不會(huì)對(duì)ASE效應(yīng)產(chǎn)生影響，需要采用正向泵浦對(duì)級(jí)聯(lián)光纖放大器提高信號(hào)光的放大倍數(shù)，綜合考慮ASE激射光增益和系統(tǒng)放大效率對(duì)光纖長(zhǎng)度進(jìn)行優(yōu)化；種子源脈沖幅值、增益光纖長(zhǎng)度和泵浦方式對(duì)非線性效應(yīng)具有重要影響，在進(jìn)行高峰值功率放大時(shí)，當(dāng)增益達(dá)到飽和時(shí)的

6、光纖長(zhǎng)度為最優(yōu)，并采用反向泵浦方式對(duì)高脈沖幅值的光脈沖進(jìn)行放大，提高非線性閾值功率；通過(guò)對(duì)輸出端面進(jìn)行包層功率剝離和無(wú)芯端帽的設(shè)計(jì)減小端面功率密度，在端面研拋斜角和鍍膜減小端面反射，抑制自激振蕩和端面熱損傷。
　　4.針對(duì)MOPA光纖激光系統(tǒng)主放大增益光纖的模場(chǎng)分布和模式增益進(jìn)行理論研究與數(shù)值計(jì)算，探索增大光纖模場(chǎng)面積和實(shí)現(xiàn)少模光輸出的方法，提高系統(tǒng)的非線性閾值功率和輸出光束質(zhì)量?；诙嗄９夥糯罄碚撃Ｐ停槍?duì)六種典型的折射率和摻雜

7、離子分布中的各階光模式分布與模式增益進(jìn)行了數(shù)值模擬，計(jì)算了不同模式耦合系數(shù)和泵浦條件下的模式功率分布；研究了光纖彎曲效應(yīng)對(duì)模場(chǎng)分布、模場(chǎng)面積和模式損耗的影響。根據(jù)模擬分析結(jié)果，設(shè)計(jì)提出一種兼具大模場(chǎng)和抗彎曲畸變特性的高斯復(fù)合型雙包層增益光纖結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方案，模場(chǎng)面積達(dá)到1.17×103μm2，基模輸出功率占總功率94.67％，達(dá)到了增大光纖模場(chǎng)面積和少模輸出的目的。
　　5.分別采用全光纖結(jié)構(gòu)和空間耦合結(jié)構(gòu)搭建了兩種MW級(jí)MOPA光纖

8、激光系統(tǒng)。在全光纖結(jié)構(gòu)系統(tǒng)中，采用高斯復(fù)合型增益光纖對(duì)光脈沖進(jìn)行放大，在25 kHz時(shí)光脈沖寬度和峰值功率分別達(dá)到1.2 ns和1.56 MW。實(shí)驗(yàn)還對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行了彎曲選模實(shí)驗(yàn)，得到了近單模輸出的光束（Mχ2=1.52，Mχ2=1.56）；在空間耦合系統(tǒng)中，采用棒狀光子晶體光纖（Rod-likePhotonicCrystalFiber, RPCF）進(jìn)行空間耦合放大，在25kHz時(shí)獲得了脈沖寬度和峰值功率分別為1.12 ns和2.01 MW