MOPA结构大模场掺铥光纤激光器的理论与实验研究

论文摘要

近年来,随着对稀土掺杂光纤激光器探索研究的不断深入及其应用领域发展的需求,高功率稀土掺杂光纤激光器的发展面向对新波段的探索。2μm波段激光处于人眼安全波段及大气传输窗口,且处在水分子及塑料材料的吸收峰,被广泛应用在激光雷达、医疗、激光加工以及光学参量振荡等领域。国内外研究机构对2μm波段激光的最新研究进展表明,实现该波段光纤激光输出的最佳方案为掺铥、掺钬光纤激光器,均已实现千瓦级高功率输出,所采用的方案为MOPA技术方案。然而,相比1μm波段激光的发展,2μm波段激光自2010年未见功率提升的相关报道。2μm波段激光功率提升面临怎样的困难,基于此,对大模场MOPA结构掺铥光纤激光展开了深入的理论与实验研究。论文回顾了国内外在2μm波段连续光纤激光方面的进展,介绍了高功率MOPA技术方案的研究现状。概括了2μm光纤激光器的实现方法,并以掺铥光纤激光器为例,阐述了大模场MOPA结构掺铥光纤激光器功率提升问题的重要意义。总结了高功率光纤激光功率提升的受限因素以及提升途径,并结合主要受限因素,对2μm波段连续波掺铥、掺钬激光器的极限功率进行了数值仿真。计算表明级联泵浦方式下的掺铥光纤激光器以及掺钬光纤激光器的极限功率分别是56.6kW和70.2kW,从理论上得出了2μm波段激光较1μm波段激光更具高功率输出优势,且当前主要受限因素为泵浦源亮度;同时,得出了级联泵浦方案高功率输出优势等结论。开展了MOPA结构大模场掺铥光纤激光器的实验研究,结合掺铥激光放大器速率方程的空间传输模型,设计高功率掺铥光纤激光器的实验方案,实验中通过对系统功率、光谱以及时域特性进行监测发现了ASE是MOPA结构掺铥光纤激光功率提升的重要受限因素,过强的ASE引起的时域不稳定性以及自激振荡现象限制了系统功率的进一步提升。于此同时,开展了十瓦量级的医疗拓展试验,验证了2μm波段在激光医疗中的潜在发展。开展了ASE对掺铥光纤激光器时域特性影响的实验研究,验证了反向自注入ASE对掺铥光纤激光器系统时域特性影响最大,并在此基础上,成功实现了利用增益光纤作为可饱和吸收体的全光纤结构被动锁模掺铥光纤脉冲激光器,输出脉冲重频为17.75 MHz,单脉冲能量高达366 nJ。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第一章 绪论
• 1.1 课题研究背景
• 1.2 2μm波段激光的实现
• 1.3 国内外 2μm波段连续波高功率光纤激光器研究进展
• 1.4 MOPA结构光纤放大器技术及研究现状
• 1.5 本文的主要内容
• 第二章 2μm光纤激光器极限功率理论分析
• 2.1 光纤激光功率受限因素分析
• 2.1.1 光纤损伤的限制
• 2.1.2 泵浦光亮度的限制
• 2.1.3 非线性效应的限制
• 2.2 光纤激光功率提升途径
• 2.2.1 激光器系统热管理的优化
• 2.2.2 泵浦源的优化
• 2.2.3 优化非线性管理
• 2.3 2μm波段光纤激光极限功率的数值仿真
• 2.3.1 基本方程
• 2.3.2 参数设定
• 2.3.3 基本思路和步骤
• 2.3.4 计算结果与分析
• 2.3.5 极限功率理论对光纤参数的优化作用
• 2.3.6 小结
• 第三章 MOPA结构大模场掺铥光纤激光器的实验研究
• 3.1 MOPA结构大模场掺铥光纤激光器的实验设计
• 3.1.1 理论模型
• 3.1.2 数值计算
• 3.1.3 参数设定
• 3.2 MOPA结构大模场掺铥光纤激光器的实验现象与分析
• 3.2.1 系统结构
• 3.2.2 实验结果分析
• 3.2.3 十瓦量级医疗应用实验
• 第四章 ASE对掺铥光纤激光器系统时域特性影响的实验研究
• 4.1 外注入ASE信号对掺铥光纤激光器系统影响的实验研究
• 4.1.1 ASE宽谱光源的实现
• 4.1.2 单向外注入实验研究
• 4.2 自注入ASE信号对掺铥光纤激光器系统影响的实验研究
• 第五章 结论
• 5.1 论文主要研究内容及相关成果
• 5.2 论文主要创新点
• 5.3 后续工作展望
• 致谢
• 参考文献
• 作者在学期间取得的学术成果
• 附录A 参数详情