高功率掺镱光纤激光器中光子暗化效应研究

发布时间：2020-03-25 03:11

【摘要】：高功率掺镱光纤激光器以其高转换效率、高光束质量、散热性能良好、结构紧凑、性能可靠等优点,在近几年发展迅猛,并广泛应用于工业加工、激光医疗、军事对抗、通信等领域。但掺镱光纤中的光子暗化效应严重影响到光纤激光器的功率稳定性,阻碍其进一步发展。本论文围绕掺镱光纤光子暗化效应,以光子暗化效应机理及自建平台准确标定附加损耗为基础,以最大程度抑制甚至消除光子暗化效应为目标,最终实现高功率稳定输出的掺镱光纤激光器。本论文首先从掺镱光纤基本特性出发,阐述了镱离子特性、共掺离子、光纤结构等对光纤性能包括数值孔径、模场面积、背景损耗、吸收系数等特征参数的影响。基于改进的化学气相沉积法结合溶液掺杂法,介绍了双包层掺镱光纤的制备过程,并进一步分析了阻挡层和疏松层沉积过程中的气体组份、流量、反应温度等参数,以及溶液掺杂过程中浸泡时间和除水工艺对光纤激光性能的影响。在光子暗化效应测试手段方面,分析探讨了几种光纤光子暗化效应的表征方法,并搭建光谱型测试装置对光子暗化效应诱导附加损耗实现精确标定。阐述并分析了镱离子浓度和粒子数反转程度对平衡态附加损耗的影响。建立了可见光波长与激光波长处附加损耗之间的线性关系,光子暗化附加损耗在633、702和810 nm波长处的数值分别是波长1041 nm损耗数值的46.08、25.69和8.73倍。探讨了改善光子暗化效应的可能途径。首先通过在掺镱光纤纤芯掺杂铈、钠、锂离子实现对光子暗化效应的抑制效果,镱铈共掺光纤在浓度比例4.5:1时可以消除约50%的附加损耗并呈现10%的自漂白效应,但铈离子掺杂会导致光纤性能有所恶化;钠离子或锂离子共掺可抑制超过30%的附加损耗,并且该离子的引入不影响掺镱光纤的数值孔径、斜率效率和背景损耗,可作为共掺手段抑制光子暗化效应的优选方案。其次,提出以793 nm泵浦源对光子暗化效应附加损耗进行光漂白,得到高达68%的损耗消除,且该漂白作用具有可重复性;研究了被漂白暗化损耗与漂白功率之间的正相关关系;采用915 nm和793 nm同时泵浦掺镱光纤,可实现80%的光子暗化附加损耗抑制效果;发现铈离子共掺能够加速掺镱光纤的光漂白进程,在180分钟793 nm泵浦时间内,Yb/Al/Ce光纤在702和810 nm波长处,被光漂白的暗化损耗比例分别为30%和37.5%。最后,讨论了对掺镱光纤载氢处理后的光子暗化效应水平,并在千瓦级高功率水平下对该抑制效果进行了拷机验证。证明该方法几乎能够完全消除光子暗化效应,使掺镱光纤在1630 W的高功率输出水平下稳定维持一小时,并保持光束质量1.69,实现了低光子暗化效应掺镱光纤高功率稳定输出。基于上述抑制光子暗化效应的方法,验证了光子暗化效应色心形成机理的多样性。其中,离子共掺及载氢处理印证了电荷转移吸收带这一暗化机理;深入研究了Tm杂质在光子暗化效应产生过程中的作用机理,认为Tm杂质是诱发光子暗化相关色心的诱因之一。
【图文】：

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华中科技大学博士学位论文4图1.2 掺镱光纤激光器的三种泵浦方式原理示意图 (a) 前向泵浦; (b) 后向泵浦; (c) 双向泵浦为了增加泵浦光的耦合效率，掺镱光纤基本采用双包层结构。如图1.3所示，纤芯区域实施镱离子掺杂，同时伴随有Al3+、P5+等共掺离子，折射率较高；内包层为纯石英基质，折射率稍低于纤芯，并与纤芯形成折射率差进而构成波导结构；外包层则采用更低折射率聚合物，大大提升内包层数值孔径，增强其收光能力。该双包层结构可使多模泵浦光在内包层传播，在光线不断地全内反射过程中多次经过纤芯并被镱离子吸收

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获得了1090 nm处2140 W的放大激光输出，光率效率高达86.9%，达到了国际领先水平[39]。掺镱光纤激光的研究热点，由于涉及到国防军事等领域，其最新研究成果虽单纤万瓦功率的突破，逐渐接近甚至超越国际水平。暗化效应暗化效应的表现国制造2025规划的提出和我国智能制造技术产业的急剧发展光器应用领域的不断拓展，对激光器提出了在高光束质量、稳定运转的要求。然而随着掺镱光纤激光器运行时间的逐渐率出现一定程度的下降，且不可恢复。如图 1.4 所示[40]的功（Photodarkening，，PD）效应，该效应已经成为限制光纤激光要技术瓶颈。
【学位授予单位】：华中科技大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：TN248

【参考文献】