论文摘要
光纤激光相干合成技术能够在保持高光束质量的同时大幅提升输出功率，为获得高亮度激光输出提供了新的解决途径，是光电子领域的研究热点。在主动式高功率光纤激光相干合成方面，单频激光、宽谱激光和多波长激光的相干合成均实现了千瓦以上的功率输出。其中，多波长激光相干合成系统结构相对简单、功率拓展性强，在实验上取得了一系列成果，展现出了巨大的活力和良好的发展前景。本文对多波长激光相干合成开展了系统的理论研究。另外，随着光纤激光技术和光子晶体光纤(PCF)技术的发展，以光纤激光作为泵浦、以PCF作为非线性介质的光纤激光光学参量振荡(OPO)研究日益活跃，成为获得特殊波长高亮度相干光源的重要手段。本文针对大频移、全光纤OPO系统，研究了系统性能优化过程中遇到的一系列问题。主要内容如下：1.分析了搭建百千瓦级高功率光纤激光相干合成系统中存在的一些问题。得到的基本结论是：由于目前常用的相位控制技术的能力和系统成本、系统复杂性等因素，搭建几百路的超大阵列光纤激光相干合成系统困难重重，因而需要将单链路的输出功率提升到千瓦以上；多波长激光能够有效抑制光纤放大器中的受激布里渊散射(SBS)效应，提高输出功率，采用多波长光纤激光进行相干合成是一种较有前途的高功率光纤激光相干合成实现方案；目前常用的光束合成技术或受限于元器件的可承受功率，或受限于结构本身，难以应用到高功率情况下的相干合成中，本文提出了适于高功率相干合成的卡塞格林光束合成技术。2.给出了多波长激光相干合成的基本原理。多波长激光相干合成并不是不同频的光波场之间产生干涉，而是各路光束中同频的光波场进行复振幅叠加，不同频的光波场进行强度叠加。研究了多波长激光抑制光纤放大器中SBS效应的机制，以及不同光谱下的SBS抑制效果。根据多波长激光相干合成的基本原理，研究了某一特定多波长激光相干合成系统的合成效果与频率间隔的关系。通过对比分析多波长激光抑制SBS的效果、相干合成效果与频率间隔的关系，说明抑制SBS的效果和相干合成效果并非此消彼长、顾此失彼的两方面；通常可以选择一个频率间隔充分大的多波长激光，既能实现较好的SBS抑制效果，同时又能实现较好的相干合成效果。3.建立了以Strehl比作为评价指标的解析理论模型。根据光程差与频率间隔、波长数目的相对大小，将光程差分为两部分：控制区和非控区；分别推导了当光程差处于控制区和非控区时，相干合成光束Strehl比的解析表达式；给出了合成效果与波长数目、频率间隔、阵列路数、光程差等因素的解析关系；指出：在控制区中合成效果取决于波长数目、频率间隔、光程差三者的乘积；在非控区中合成效果仅取决于波长数目和阵列路数。以光束传输因子(BPF)作为评价指标，数值研究了不同光谱结构、不同阵列结构下多波长激光相干合成效果与光程差的关系。结果表明，在波长数目很少、阵列路数较大的多波长激光相干合成系统中，通常无需控制光程；在波长数目较多、阵列路数较小的多波长激光相干合成系统中，通常需要控制光程。4.基于大频移(~140THz)、全光纤OPO平台，研究了四波混频(FWM)的有效作用长度及OPO腔中的有害非线性效应等问题。通过探测PCF中信号光的后向散射光，得到了信号光在PCF中的增长情况，进而推算得到了PCF中的纵向增益分布。研究不同泵浦光脉冲宽度下，PCF中FWM的有效作用长度，发现泵浦光脉冲越宽有效作用长度越长，且有效作用长度均小于走离长度，因而认定走离效应不是限制系统转化效率的因素。研究了泵浦光脉冲延迟、移动和周期泵浦脉冲情况下系统的工作性能和泵浦光向信号光转化的过程。建立了分析OPO腔中信号光导致的SRS的数学模型，给出了SRS净有效增益和有效作用长度的表达式。基于数学模型，给出了OPO腔中是否出现明显SRS的阈值条件：SRS净有效增益是否大于13；讨论了抑制OPO腔中信号光导致的SRS的方法。论文为多波长激光相干合成的效果分析和系统设计提供了参考，为光纤OPO系统的性能优化和内部非线性效应的研究提供了思路。