基于MOPA结构的高功率纳秒脉冲光纤激光器研究

发布时间：2020-10-19 09:18

　　 高功率脉冲光纤激光器具有单脉冲能量高、光束质量好、转换效率高、热效低等特点,在激光加工、医疗保健、军事武器、精密测量等众多领域有广泛的应用。在激光加工领域中,由于不平滑脉冲的存在,难以得到理想的脉冲波形,使得输出激光的质量降低,影响加工效果,降低了激光加工的实用性,因此,输出脉冲平滑度是脉冲光纤激光器的重要指标。本文提出了控制脉冲平滑度的方法和结构,研究了非对称腔和对称腔种子源脉冲光纤激光器的输出特性,并搭建了高功率脉冲光纤激光器。论文具体工作如下:1、研究了高功率纳秒光纤激光器的相关原理。阐述了光纤激光器的结构原理,分析了脉冲光纤激光器的关键技术。详细的研究了声光调Q光纤激光器原理与MOPA结构。2、基于非对称腔的基本理论,搭建了非对称腔种子源实验系统,研究了该系统的输出特性。测试了种子源输出功率、重复频率、脉冲宽度、脉冲波形、激光光谱等参数,获得了最大输出功率为1.61W,中心波长为1063.93nm,3d B带宽为0.12nm,最小脉冲宽度为61ns,重复频率在10KHz-80KHz可调的脉冲序列。其中,重点研究了种子源输出脉冲的重复频率与Q开关重复频率不相等现象,分析了能量高低不等脉冲出现的原因;提出了控制脉冲多峰现象的方法。通过调节系统泵浦功率、Q开关的重复频率、开启时间以及上升时间等系统参数,分析其特性以及规律,成功地减少了脉冲多峰个数,提高了非对称腔种子源系统输出脉冲的平滑度,但仍存在脉冲不平滑问题。3、为了解决种子源系统输出平滑度问题,在对称腔理论基础上,提出并搭建了对称腔种子源实验系统,研究了该系统的输出特性。测试了种子源输出功率、重复频率、脉冲宽度、脉冲波形、激光光谱等参数,获得了最大输出功率为0.59W,中心波长1063.98nm,3d B带宽0.14nm,最小脉冲宽度为58ns,重复频率在10KHz-80KHz可调的平滑脉冲序列。其中,着重地研究了“混乱”脉冲出现的原因,对比分析了该系统两端泵浦功率不相等对输出脉冲平滑度的影响,解决了输出脉冲不平滑问题。4、为了提高激光器的输出功率,采用MOPA结构,搭建了高功率纳秒脉冲光纤激光器。种子源采用对称腔结构,放大级采用二级放大的方式,分别测试了一、二级放大器输出功率、脉冲宽度、激光光谱以及脉冲波形等参数,一体化集成后,最后获得平均功率为30.3W的平滑脉冲激光输出。
【学位单位】：吉林大学
【学位级别】：硕士
【学位年份】：2018
【中图分类】：TN248
【部分图文】：

吉林大学硕士学位论文在传输泵浦光的过程中，该类型光纤容易产生非常多的“螺旋光”，经反射都不能进入纤芯，降低了增益光纤对泵浦光的吸收效率，因此，人种方法来抑制“螺旋光”的产生。①偏心法，即改变光纤中纤芯的位置离光纤中心，使得泵浦光经过多次反射依然能够经过纤芯，从而产生光纤内包层设计为其他形状，避免相应的 “螺旋光”出现，增加增益收效率。大量实验表明，与圆形内包层光纤相比，非圆形内包层光纤能多的泵浦光，并且不同形状内包层光纤的吸收效率也不同。由于制作工效率等因素的影响，矩形内包层光纤在现实中有广泛的应用。图 2.2 为包层光纤截面图。

第 2 章 高功率纳秒脉冲光纤激光器相关理论，侧面泵浦主要在光纤的侧面进行泵浦，从而使光纤的两输入和输出，并且也能够使泵浦光均匀地分布在光纤内部，最典型的有熔锥侧面泵浦和 V 形槽侧面泵浦。泵浦首先需要清理出相应的内包层，然后将多根裸露的光缠绕起来，并加热熔化连接，同时拉伸光纤两端，使熔化便于泵浦光从双包层光纤侧面，经过多模光纤进入内包层图 2.6 为侧面泵浦示意图。侧面泵浦的稳定性和耦合效率响小，但是对拉锥技术的要求比较高。

激光器谐振腔内部的损耗 ，让品质因数 Q 变小，粒子数不断地累积；然后降低激光器谐振腔的损耗 的反转粒子数被消耗，形成调 Q 脉冲输出。工作原理如图 2.8 所示，横坐标为时间轴，曲线 n 况，曲线 代表产生的激光光子数密度改变情况。当耗 很大，品质因数 Q 值很小，产生激光的反转粒部没有激光产生，当泵浦源开始泵浦，腔内反转粒，腔内反转粒子数 n 达到最大值0 n ；当 t>0 时，Q小，品质因数 Q 变大，激光产生的阈值变为t n ，此，伴随着反转粒子数 n 不断被消耗，光子数密度 变密度 和激光产生的阈值t n 相等，光子数密度 达密度 慢慢减小，反转粒子数密度 小于产生激光谐振腔内部剩余的反转粒子数密度为f n 。
【参考文献】

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本文编号：2847020