高功率掺镱双包层光纤激光器研究

论文摘要

使用包层泵浦技术的掺镱双包层光纤激光器具有高功率、高效率、高光束质量、成本低、散热好、结构紧凑和易维护等诸多优点,有着广泛的应用前景,因此日益得到人们的青睐,近年来发展速度很快。根据光纤激光器基本原理和实验条件,确定高功率光纤激光器系统由中心波长为976nm的半导体激光器泵浦源、空间滤波器系统、非球面耦合透镜、激光反馈器件和内包层形状为D形、尺寸为600/650μm、数值孔径为0.46的掺镱双包层光纤组成。实验方案为使用半导体激光器通过端面泵浦方式抽运掺镱双包层光纤。通过解稳态下泵浦光和信号光在光纤中的传输方程,理论分析了掺镱双包层光激光器的输出特性,模拟双包层光纤中前后向泵浦光和信号光的分布,分析光纤长度、传输损耗和后腔镜反射率对输出功率的影响并选择最佳实验条件。根据高斯光束的传输特性,选择了合适的透镜耦合系统。为了滤除泵浦光由于受整形过程中可能的缺陷、传输过程中的衍射或者非线性效应影响产生的高频分量,设计了空间滤波器系统。从光纤端面损伤机理出发,采取适当措施避免了强泵浦条件下的端面损伤问题。通过分析光纤激光器系统中的功率分布和各主要元件特性,设计了高效的散热系统,保证了高功率光纤激光器的稳定运行。搭建了掺镱双包层光纤激光器实验平台,通过优化实验条件,提高了耦合效率,最终获得了中心波长为1104nm,功率为332 W的连续稳定激光输出,该系统阈值为7.6 W,斜率效率为78.5%。分析了实验中存在的问题,提出了今后工作的一些改进意见。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 1 绪论
• 1.1 引言
• 1.2 掺镱双包层光纤激光器国内外发展概况
• 1.2.1 国外发展概况
• 1.2.2 国内发展概况
• 1.3 本课题的意义和主要研究内容
• 2 掺镱双包层光纤激光器基本原理及关键技术
• 2.1 双包层光纤激光器基本原理
• 2.2 掺镱双包层光纤光谱特性
• 2.2.1 镱离子的能级结构
• 2.2.2 镱离子的速率方程
• 2.3 包层泵浦技术
• 2.4 不同内包层形状的双包层光纤的吸收特性
• 2.4.1 圆形内包层吸收特性
• 2.4.2 偏心形内包层吸收特性
• 2.4.3 矩形内包层吸收特性
• 2.5 泵浦光与双包层光纤的耦合技术
• 2.5.1 几种常见的泵浦耦合方式
• 2.5.2 高斯光束在透镜耦合系统中的传输规律
• 3 掺镱双包层光纤激光器输出特性的理论分析
• 3.1 理论分析模型的建立
• 3.2 双包层光纤中泵浦光、前后向信号光的分布
• 3.3 不同信号光传输损耗时输出功率与光纤长度的关系
• 3.4 输出激光功率与泵浦功率的关系
• 3.5 后腔镜反射率对输出激光功率的影响
• 4 掺镱双包层光纤激光器实验研究
• 4.1 掺镱双包层光纤激光器实验装置
• 4.1.1 泵浦源
• 4.1.2 掺镱双包层光纤
• 4.1.3 空间滤波器
• 4.1.4 耦合系统
• 4.1.5 散热系统
• 4.2 掺镱双包层光纤激光器的实验过程及结果分析
• 4.2.1 泵浦光束轴线的确定
• 4.2.2 光纤端面处理及端面损伤问题
• 4.2.3 滤波小孔位置和尺寸的确定
• 4.2.4 二相色镜及有源光纤输入端位置的确定
• 4.2.5 实验结果分析
• 5 总结
• 致谢
• 参考文献
• 附录 1 攻读学位期间发表论文目录