高功率2微米摻銩光纖激光器及其動力學(xué)特性研究.pdf

1、1960年，人類成功發(fā)明了第一臺固體激光器。1961年，人們提出并成功搭建了第一臺光纖激光器。作為固體激光器的一種特殊形式，光纖激光器具有結(jié)構(gòu)緊湊、轉(zhuǎn)換效率高、光束質(zhì)量好、散熱性好等優(yōu)點。因此，光纖激光器受到來自世界各地科研工作者的廣泛關(guān)注和深入研究，成為了一類十分有發(fā)展前景的激光光源，其發(fā)展方向主要有高功率、窄線寬、短脈沖、中紅外等。摻銩光纖激光器輸出激光波長在2μm附近，此波段位于水的吸收峰、人眼安全波段、大氣窗口等，故在材料加工、

2、生物醫(yī)學(xué)、大氣遙感、激光雷達(dá)、科學(xué)研究等諸多領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用。因此，2μm摻銩光纖激光器得到了人們的廣泛關(guān)注，同時成為了國際上的研究熱點。
　　近年來，高功率2μm摻銩光纖激光器發(fā)展迅速并取得了很大成果：在連續(xù)激光輸出方面，激光輸出達(dá)到千瓦量級；在脈沖激光輸出方面，皮秒脈沖激光輸出達(dá)到百瓦量級，飛秒脈沖激光輸出放大也達(dá)到百瓦量級，但是這些皮秒和飛秒脈沖的單脈沖能量均不高。目前在高功率2μm光纖激光器的研究過程中，面臨的主要問題是

3、熱效應(yīng)及非線性效應(yīng)。解決這些問題可以從優(yōu)化泵浦方案、增加光纖模場面積等方面來入手。本論文內(nèi)容主要從這兩方面進(jìn)行考慮，通過理論與實驗相結(jié)合的研究辦法，旨在形成一套完備的理論和成熟的技術(shù)來實現(xiàn)2μm波段的高功率連續(xù)激光輸出和高單脈沖能量脈沖激光輸出，推動高功率2μm摻銩光纖激光器發(fā)展。本論文的研究工作和主要成果有：
　　1．在2μm激光領(lǐng)域，提出一種新型級聯(lián)泵浦技術(shù)（~1900nm→~1940nm→~2020nm），即先獲得中心波長在

4、1900nm附近的激光；以~1900nm激光作為泵浦光，再獲得中心波長在1940nm附近的激光；以~1940nm激光作為泵浦光，最終獲得中心波長在2020nm附近的激光，分級實現(xiàn)2μm激光輸出。這種新型級聯(lián)泵浦技術(shù)在解決熱效應(yīng)問題方面有著明顯優(yōu)勢：首先，有效的將激光器中熱量分散在多級泵浦結(jié)構(gòu)中，這必將有利于激光器中熱量的管理控制；其次，每一級泵浦結(jié)構(gòu)具有很高的斜效率和光轉(zhuǎn)換效率，這意味著獲得相同功率激光時產(chǎn)生更少的熱量。當(dāng)這種新型級聯(lián)泵

5、浦技術(shù)與包層泵浦技術(shù)共同使用時，必將進(jìn)一步推動高功率2μm摻銩光纖激光器的發(fā)展。
　　2．建立了摻銩光纖激光器采用不同泵浦方案時的理論模型和溫度分布模型。利用這些模型研究在不同泵浦方案下?lián)戒A光纖激光器的輸出特性和溫度分布。模擬得到在傳統(tǒng)793nm泵浦方案（~793nm→~2020nm）、傳統(tǒng)級聯(lián)泵浦方案（~1900nm→~2020nm）、新型級聯(lián)泵浦方案（~1900nm→~1940nm→~2020nm）中，摻銩光纖激光器在不受熱量

6、損壞前提下輸出2μm激光最大功率分別為220W、4338W、5877W。從理論上證明了新型級聯(lián)泵浦技術(shù)在獲得高功率2μm激光方面的優(yōu)勢。
　　3．以中心波長為1942nm的摻銩光纖激光器作為泵浦源，采用同向泵浦結(jié)構(gòu)時，獲得34.68W中心波長為2020nm的激光，激光器斜效率達(dá)到91.7%，光轉(zhuǎn)換效率達(dá)到84.4%；采用反向泵浦結(jié)構(gòu)時，獲得35.15W中心波長為2020nm的激光，激光器斜效率達(dá)到92.4%，光轉(zhuǎn)換效率達(dá)到86.3

7、%。這是目前2μm摻銩光纖激光器中最高的斜效率。從實驗上證明了新型級聯(lián)泵浦技術(shù)在獲得高功率2μm激光方面的優(yōu)勢。
　　4．搭建了一臺基于光纖光柵的雙波長2μm光纖激光器，并通過改變激光腔的相關(guān)參數(shù)對激光器輸出特性及其演化規(guī)律進(jìn)行研究。實現(xiàn)了1942nm與2020nm雙波長激光同時輸出，每種波長激光功率均3瓦以上，二者之間的激光功率比在24.9%到237.6%范圍內(nèi)連續(xù)可調(diào)。
　　5．搭建了一臺基于階躍折射率摻銩多模光纖的2μ