高功率窄线宽近衍射极限光纤激光放大器热致模式不稳定研究

发布时间：2020-07-19 17:05

【摘要】：窄线宽近衍射极限光纤激光是指谱线宽度小于或在0.1nm量级、M~2因子小于或等于1.5的光纤激光光源,具有相干性好、光束质量高等优点,在地球科学、原子物理、非线性频率转换、光束合成等领域有广泛的应用。采用大模场面积光纤和光谱展宽技术抑制非线性效应,窄线宽近衍射极限光纤激光的输出功率已经达到千瓦量级。然而,随着输出功率的提升,窄线宽光纤激光器中会出现热致模式不稳定,导致输出激光的光束质量突然退化。目前,热致模式不稳定是限制高光束质量窄线宽掺镱光纤激光输出功率进一步提升的主要因素之一,也是国际上高功率光纤激光领域的研究热点。论文基于掺镱窄线宽全光纤放大器,对窄线宽近衍射极限光纤激光模式不稳定进行了理论和实验研究,探索适用于全光纤窄线宽光纤激光的模式不稳定抑制方法。主要包括以下内容:1.建立了窄线宽光纤激光模式不稳定的新理论模型。从经典模式耦合理论出发,综合考虑大模场面积光纤的模式特性以及光纤中温度分布特性,建立了窄线宽光纤激光模式不稳定的半解析理论模型,获得了模式非线性耦合系数的解析公式,揭示了不同物理参数与光纤激光模式不稳定之间的关系。2.定量分析了光纤结构参数、激光系统参数等对光纤激光模式不稳定的影响。研究结果表明:随着纤芯直径减小、泵浦包层尺寸增加、纤芯数值孔径减小,光纤激光模式不稳定出现的阈值增加;随着注入信号光功率增加、信号光中初始高阶模比例减小、信号光强度噪声减小、泵浦光波长偏移976nm,光纤激光模式不稳定阈值增加;采用后向泵浦、双端泵浦、多波长泵浦也可以提高光纤激光模式不稳定阈值;掺杂浓度、制冷方式、偏振特性对热致模式不稳定无明显影响。3.研究了全光纤窄线宽光纤激光模式不稳定的物理表征及影响因素。对热致模式不稳定的光束质量“饱和”现象进行了分析;首次提出通过探测散射光功率来研究光纤激光模式不稳定的方法,并进行了实验验证。实验结果与理论仿真基本吻合。4.研究了增加高阶模抑制、增加增益饱和和同带泵浦等方法对全光纤窄线宽光纤激光模式不稳定的抑制效果。首次提出利用915nm泵浦提高光纤激光模式不稳定阈值的方案,并进行了实验验证。理论分析了利用弯曲选模、改变泵浦光波长和采用同带泵浦抑制光纤激光热致模式不稳定的可行性。在理论分析的基础上搭建实验平台,利用弯曲选模,实现1.5kW近衍射极限线偏激光输出,并验证了近衍射极限光纤激光功率目前仅受限于合束器的承受功率;利用915nm泵浦时,实现了1.26kW近衍射极限线偏激光输出。5.建立了含LP_(11)模式的窄线宽光纤激光自由空间传输模型,修正了传统M~2因子。修正后的M~2因子克服了传统M~2因子受LP01模式与LP_(11)模式间相对相位影响的不足,可以用于评价基于低数值孔径、大模场面积光纤的窄线宽光纤激光的模式成分。研究了含LP_(11)模式的窄线宽光纤激光的自由空间传输特性,首次发现LP01模式与LP_(11)模式间相对相位对目标上桶中功率无影响。若利用自适应系统矫正模式间相对相位导致的远场光斑峰值与目标靶面中心的偏移,桶中功率随模式间相对相位变化存在最优值,最优的相对相位为π/2。
【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】：TN722;TN248
【图文】：

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国防科学技术大学研究生院博士学位论文aster oscillator power amplifier，简称 MOPA) 的结构实2001 年，德国耶拿大学的 S. H fei 和 A. Liem 等利用m、内包层直径为 400μm 的 D 型大芯径双包层掺镱光浦功率为 100W 时，得到了 20.1W 的单频放大光输出。2003 年，利用纤芯直径为 28μm、内包层直径为 40镱光纤，A. Liem 等采用类似图 1.1 中的放大结构，通了百瓦量级的单频激光输出，实验中发现放大器输出功出现非线性增长，表明 SBS 限制了功率的进一步提升

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图 1.1 德国耶拿大学单频光纤激光系统结构图，英国南安普顿大学的 Y. Jeong 和 J. Nilsson 等搭建了 MO纤放大系统，实验结构如图 1.2 所示，采用中心波长为 106种子源，主放大器的增益光纤是长度为 6.5m 的大芯径双包芯直径为 25μm，D 型内包层直径为 380μm，实验中最终得出[39]。在主放大器中并没有观察到 SBS，输出功率只受限提升的空间。2007 年，Y. Jeong 等采用同一放大系统，在进件下，得到了 402W 的单频线偏激光输出，在主放大级仍出功率仍然仅受限于泵浦功率[40]。随后，他们使用 9m 纤芯3μm 和 650μm 的双包层非保偏掺镱光纤作为主放大器的增W 的单频激光输出。

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图 1.3 美国康宁公司单频光纤激光系统结构图年，美国空军研究实验室 C. Robin 和 I. Dajani 等搭建了 MOPA光纤放大系统，实验结构如图 1.4 所示，采用中心波长 1064nm器作为种子源，主放大器的增益光纤为声场裁剪光纤，纤芯直径为 30μm，内包层直径为 320μm，放大器最终输出 494W 的单频器中并没有观察到 SBS，输出功率仅受限于泵浦功率。2012 年9.5μm、模场直径为 30μm、内包层直径为 329μm 的声场裁剪光一步提高泵浦功率的条件下，得到了 530W 的单频单模激光输没有观察到 SBS，但单模激光输出功率受限于模式不稳定。2究实验室的 C. Robin 等通过优化光纤结构，利用增益裁剪技术实现了 811W 单频近衍射极限光纤激光，M2为 1.1~1.2，是目前纤激光输出的最高功率[44]。经过光纤结构优化后，最高输出功无热致模式不稳定，输出功率仅受限于 SBS。

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