2μm光纤光源功率提升关键技术研究

发布时间：2018-10-17 12:42

【摘要】：2μm波段光源既可以作为人眼安全的光源用于生物医学、工业加工、环境监测和非线性频率转换,又是激光雷达与激光通信等领域的重要光源,因而受到研究人员的广泛关注。由于光纤光源具有热管理方便、光束质量好、稳定性高、封装结构紧凑等优势,基于全光纤结构的2μm波段光源如今已经成为该领域重要的研究方向。然而,2μm波段光纤光源具有固有量子亏损严重、光学器件发展尚不完全成熟等限制因素,使得如何产生高功率、高能量、高光束质量的2μm波段光纤光源成为该领域研究热点和难点。从上述研究需求和应用需求出发,本文对2μm波段高功率光纤光源进行了理论与实验研究,主要结果如下:1、对高功率2μm单频连续、单频脉冲和宽谱脉冲掺铥光纤放大器(Tm-doped fiber amplifier:TDFA)系统进行了理论仿真研究。在基于速率方程和传输方程的TDFA传统动力学模型中增加了受激布里渊散射(Stimulated Brillouin scattering:SBS)效应影响,建立了单频连续TDFA动力学模型。将SBS过程加入纳秒脉冲TDFA动力学模型之中,以并行双向算法作为计算方法,建立了高效率、高精度的纳秒脉冲TDFA理论模型。利用上述理论模型分别对单频连续、单频脉冲和宽谱脉冲的TDFA进行理论仿真,仿真结果与实验结果为更高输出功率指标的系统参数设计提供了参考。2、开展了基于全光纤结构的高功率2μm光纤光源实验研究。首先利用基于主振荡器功率放大器(Master oscillator power amplifier:MOPA)结构的系统对2μm单频连续光纤激光种子进行功率放大,在国际上首次将全光纤结构的2μm单频连续TDFA功率水平提高到100 W级,并进一步将输出功率提高至310 W,是目前国际公开报道的最高值。同时,将理论模拟与实验结果进行对比分析,得出如果泵浦功率和热管理问题得到合理解决,该系统可以获得kW级2μm单频连续激光输出。其次,将两路连续的TDFA通过相干合成整合成一束激光,输出功率108 W,是2μm波段相干合成的最高输出功率。实验中主动锁相控制可以有效补偿400 Hz以下的相位噪声,验证了利用基于TDFA相干合成系统获得2μm波段高功率激光输出的可行性。再次,利用全光纤结构的多级TDFA系统对m W级自发辐射放大(Amplified spontaneous emission:ASE)光纤光源进行逐级功率放大,获得了平均输出功率大于250 W的高功率窄带可调谐ASE光纤光源输出,为国际上首次公开报道的该功率水平2μm波段ASE光纤光源。此外,通过在线形腔和环形腔中分别进行主动相位调制,获得了稳定的2μm锁模脉冲输出以及弛豫振荡调制脉冲输出,可以为高功率脉冲TDFA提供稳定的种子源。最后,利用MOPA结构的系统对2μm纳秒脉冲种子激光进行逐级功率放大,分别实现了平均功率100 W级的准单频纳秒脉冲TDFA输出、200 W级的窄线宽纳秒脉冲TDFA输出以及150-238 W的宽谱纳秒脉冲TDFA输出。上述输出功率水平均为国际上公开报道的最高值。3、提出了高功率掺镱拉曼光纤激光器(Yb-doped Raman fiber laser:YRFL)级联泵浦获得2μm光纤激光输出的方案,并分别获得了该泵浦方案下掺铥光纤激光器(Tm-doped fiber laser:TDFL)和掺钬光纤激光器(Ho-doepd fiber laser:HDFL)的最高输出功率;利用TDFL同带泵浦方案首次获得了高功率的长波TDFL输出。首先利用1173 nm的YRFL泵浦TDFL,TDFL的输出功率达到了96 W,是国际上首次公开报道的通过YRFL泵浦获得100 W级2μm波段TDFL输出。然后利用1150nm的YRFL对HDFL进行泵浦,HDFL的输出功率达到了42 W,为国际上公开报道的利用YRFL泵浦HDFL获得2μm光纤激光输出最高值。同时开展了利用YRFL对HDFL进行泵浦获得2μm脉冲激光输出的研究。通过控制系统参数,最高平均输出功率为16.1 W,是国际上公开报道被动调Q的HDFL最高输出功率值。最后,利用1942 nm的TDFL对2153 nm的TDFL进行同带泵浦,输出功率达到了24 W。研究表明,对于长波TDFL,需要对增益光纤的温度和长度进行适当控制以有效地抑制ASE和寄生振荡,从而增加系统输出功率。这是首次波长大于2.15μm的高功率TDFL实验研究,其输出功率也是该波段TDFL以及拉曼激光器/放大器最高值,且系统输出具有优良的光谱性能。上述实验验证了利用级联泵浦方案获得高功率2μm光纤激光输出的重要潜力。4、探索了2μm光纤光源中非线性效应的应用,首次实现了基于SBS效应的2μm波段单频脉冲、慢光以及多波长激光输出。首先开展了基于SBS效应的2μm波段单频脉冲输出实验研究,利用非线性偏振旋转和主动相位控制技术实现了单频脉冲布里渊掺铥光纤激光器(Brillouin-Thulium fiber laser:BTFL)输出,是国际上首次基于SBS效应获得的稳定单频脉冲BTFL输出。然后,进行了基于SBS效应的2μm慢光实验和理论研究。通过控制泵浦功率实现了连续线性的脉冲延迟输出,利用三波耦合方程组进行仿真,模拟结果与实验结果吻合较好,为国际上首次关于2μm慢光的实验和理论研究。最后,开展了多波长BTFL的实验研究。利用级联SBS效应产生了5级斯托克斯光的输出,相邻波长间的波长差约为0.105 nm,是首次通过级联SBS效应获得的2μm波段多波长光纤激光输出。
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【学位授予单位】：国防科学技术大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2015
【分类号】：TN253;TN248
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本文编号：2276695