大功率全光纤结构脉冲掺镱光纤激光器的研究

发布时间：2020-08-12 18:40

【摘要】：大功率全光纤结构脉冲掺镱光纤激光器因具有结构紧凑,高峰值功率以及良好的光束质量等优点,被广泛应用于精密材料加工、激光雷达、遥感以及非线性频率转换等不同方向和领域。本论文以大功率全光纤结构脉冲掺镱光纤激光器关键技术为主,以优化掺镱光纤参数来提高脉冲激光性能为核心,对调Q和被动锁模两种类型的脉冲掺镱光纤振荡激光器以及全光纤结构脉冲激光掺镱光纤放大系统进行了系统的理论分析和实验研究。本论文首先从掺镱光纤的理论出发,阐述了石英光纤中镱离子的特性。基于MCVD工艺和溶液掺杂技术,介绍了双包层掺镱石英光纤的制备过程。使用课题组自制的掺镱光纤,对大功率脉冲掺镱光纤激光器进行了系统的研究。首先搭建了一个基于声光调Q的全光纤MOPA掺镱光纤激光器系统,通过该系统对纤芯包层直径分别为10/130μm、20/130μm以及30/250μm的双包层掺镱光纤进行了不同的对比实验。根据实验结果结合数值模拟,对掺镱光纤的参数进行了优化以提高脉冲激光的性能。最终在纤芯包层直径为50/400μm的双包层掺镱光纤中实现了平均功率为200W的纳秒脉冲激光,单脉冲能量达到约3.3mJ。还搭建了一个基于SBS的被动调Q掺镱光纤激光环形振荡器。通过一段单模光纤来激发反向斯托克斯脉冲并在掺镱光纤中放大,达到阈值后激光器可以输出高峰值功率的几十纳秒的自调Q脉冲。通过调节泵浦功率,可以改变激光器的重复频率和输出功率。在腔内加入一个带通滤波器后,有效地抑制了调Q脉冲序列中的时间抖动现象。为了获得脉宽更窄以及峰值功率更高的脉冲激光,对被动锁模掺镱光纤激光器进行了实验与理论研究。搭建了一个基于NPR被动锁模掺镱光纤振荡器。通过在激光腔内加入一小段保偏光纤实现等效双折射滤波器,可以在实验中观察到耗散孤子脉冲的分裂与捕获现象。在脉冲捕获过程中,两个正交偏振方向上的脉冲能够以相同的群速度在腔内传输,并且在激光光谱中还会伴随着边带的产生。对于耗散孤子捕获以及边带的产生进行了对应的数值模拟。还搭建了一个基于SESAM的被动锁模掺镱光纤环形激光振荡器。在激光腔内没有使用可调谐滤波器或者长周期光栅,而只依靠腔内偏振敏感器件等效为的双折射滤波器实现了双波长锁模以及单波长可调谐。同时还对腔内双波长耗散孤子脉冲的锁模过程进行了数值模拟与分析。基于SESAM被动锁模掺镱光纤激光振荡器,搭建了一个全光纤MOPA皮秒脉冲掺镱光纤激光器系统,并且在纤芯包层直径为50/400μm的双包层掺镱光纤中实现了平均功率为100W的皮秒脉冲激光,峰值功率约为31kW。为了降低在放大中SRS的影响同时保持脉冲激光的光束质量,在放大级中使用了级联长周期掺镱光纤光栅。输出激光的SRS抑制比达到约10dB,光束质量M~2为1.35。
【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
【图文】：

秒脉冲掺镱光纤激光器的产品来满足工业中激光焊接以及激光清洁等应用需求。国际上，在2000年英国南安普顿大学的J. A. Alvarez-Chavez等人搭建了一个调Q掺镱光纤激光振荡器，结构如图1.1所示。他们在激光腔内使用了一段大模场掺镱光纤并通过包层泵浦的方式实现了激光器振荡输出5W的调Q脉冲激光，单脉冲能量达到2.3mJ。由于纤芯直径达到44μm能够支持多个模式在纤芯中传输，所以激光光束质量M2为3[20]。图1.1 基于大模场掺镱光纤的调Q光纤激光器系统结构示意图

3在2012年，德国耶拿大学的Florian Jansen等人通过在调Q光纤激光器以及光纤放大级中使用大节距掺镱光子晶体光纤来产生纳秒脉冲激光，激光器结构如图1.2所示。通过两级放大后，单脉冲能量可达26mJ，这是目前脉冲光纤激光器研究报道中输出最高的单脉冲能量。大节距掺镱光子晶体光纤不仅具有大的模场面积同时还能够保持激光在纤芯中的单模传输，因此可以实现脉冲激光在放大后依然保持单模传输同时也不会引入非线性效应的影响，但由于光纤中的微结构，目前只能通过空间光路的方式来进行耦合[21]。图 1.2 基于大节距掺镱光子晶体光纤的调 Q 光纤激光器系统结构示意图2014年，加拿大瑞尔森大学的Xijia Gu等人使用了一段小纤芯的掺镱光纤来作为可饱和吸收体，搭建了一个线型腔被动调Q掺镱光纤激光振荡器。激光腔由一对中心波长为1064nm的光纤布拉格光栅对以及一段4.5m长的双包层掺镱光纤组成，结构如图1.3所示。双包层掺镱光纤的纤芯包层直径为15/130μm

光谱宽度为0.16nm，激光器最大输出功率为14W，对应峰值功率和单脉冲能量分别为6kW和141μJ[22]。图1.3 基于掺镱光纤可饱和吸收体的被动调Q掺镱光纤激光振荡器结构示意图2016年，Raja Ramanna先进技术中心的Usha Chakravarty等人报道了一个基于

【参考文献】

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本文编号：2790883