弱拉锥型大功率泵浦/信号合束器研究

论文摘要

采用光纤熔融拉锥工艺的泵浦/信号合束器(TFB合束器)作为全光纤结构激光器的关键器件之一,被广泛应用于高功率全光纤激光器中。为进一步提高主振荡功率放大结构(MOPA结构)光纤激光器的输出功率,本文提出一种新型的泵浦/信号合束器——弱拉锥合束器,进一步降低了信号光的插损,减少了合束器内部的温升,可以用于对千瓦级信号光的再次放大。本文主要工作如下:(一)基于标量模式理论,建立了计算合束器信号光插损的通用模型,辨析了模场直径法和模式交叠积分法在计算熔点插损上的差异,给出了各自的应用范围,最后指出计算合束器信号光插损应采用模式交叠积分法。(二)研究了传统合束器的插损和温升。首先,通过数值模拟计算了国产某型号20/400合束器的插损,提出了包层光纤芯回流模型,然后设计实验测试了合束器的实际信号光插损和光束质量变化。其次,对该型号合束器进行了温升分析,得出包层光是导致合束器内部温升的重要因素,并据此提出了合束器温升抑制方法。最后,测试了注入信号光在合束器内部的温升率。结果表明,该型号20/400合束器因为信号光插损过大,且信号光导致的合束器内部温升率过高,不适用于少模千瓦级信号光的再次放大。(三)对弱拉锥合束器的设计和温升特性展开研究。首先提出弱拉锥合束器的理念,设计了弱拉锥合束器;其次结合数值分析,对拉锥区长度与输出光纤的数值孔径进行优化;最后设计实验,测试了注入信号光在弱拉锥合束器内部的温升率。测试结果表明,弱拉锥合束器的内部温升率和插入损耗相比传统合束器有大幅度降低,可以用于少模千瓦级信号光的再次放大。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第一章 绪论
• 1.1 课题研究背景及意义
• 1.2 国内外研究现状
• 1.3 文章的主要内容和结构安排
• 第二章 合束器信号光插损计算的基本理论
• 2.1 标量模式理论
• 2.2 拉锥区的插损计算
• 2.3 熔点插损计算
• 2.3.1 模式交叠积分法（MOI）
• 2.3.2 模场直径法（MFD）
• 2.3.3 MFD与MOI方法在计算光纤熔点插损时的比较
• 2.4 本章小结
• 第三章 传统合束器的插损计算及温升测试
• 3.1 传统泵浦/信号合束器的基本结构
• 3.2 国产A型 20/400合束器信号光插损研究
• 3.2.1 合束器结构
• 3.2.2 拉锥区信号光损耗计算
• 3.2.3 熔点处信号光插损的计算
• 3.2.4 国产A型合束器的插损测试以及光束质量测试
• 3.2.5 包层光回流现象
• 3.2.6 包层光回流现象的意义
• 3.3 国产A型 20/400合束器温升研究
• 3.3.1 信号光插损与温升的关系
• 3.3.2 包层光与温升的关系
• 3.3.3 合束器温升抑制方法
• 3.3.4 国产A型 20/400合束器信号光温升测试
• 3.4 本章小结
• 第四章 弱拉锥合束器的设计与温升测试
• 4.1 弱拉锥合束器的设计
• 4.1.1 合束器结构的改进
• 4.1.2 输出光纤的选择
• 4.2 弱拉锥合束器信号光插损分析及数值模拟
• 4.2.1 信号光输入模式选择
• 4.2.2 信号光拉锥区损耗分析及拉锥区长度的优化
• 4.2.3 信号光熔点处损耗分析
• 4.3 数值孔径的优化
• 4.4 弱拉锥合束器温升研究
• 4.4.1 弱拉锥合束器的温升机理分析
• 4.4.2 弱拉锥合束器信号光温升测试
• 4.4.3 弱拉锥合束器的性能评价以及在更高功率激光器的应用
• 4.5 本章小结
• 第五章 总结与展望
• 5.1 工作总结
• 5.2 未来工作展望
• 致谢
• 参考文献
• 作者在学期间取得的学术成果