抗反射高效优质高功率光纤激光技术研究

发布时间：2020-11-14 17:10

　　 高功率光纤激光器在军事、工业、科研等领域的应用已经十分广泛。在工业加工领域利用高功率光纤激光器加工高反材料时,强烈的反射光会对光纤激光器,尤其是MOPA结构的光纤激光器,造成严重的危害,会损伤激光器器件,甚至直接烧毁激光器,研究高功率光纤激光器的抗反射光技术成为一项重要的学术课题。随着技术的更新和需求的提高,抗反射光已经不再是唯一的追求目标,光纤激光器需要同时具备高功率、高效率、高光束质量等特质,才能满足更高的研究和应用需求。本文重点是对高效率、高光束质量、抗反射光的高功率光纤激光技术进行理论和实验研究。本论文提出了“振荡-放大一体化”这种新的光纤激光器结构,建立了能够分析影响激光器性能的重要因素的数学模型,利用该模型对增益光纤、泵浦方式、界面反射率等参数进行了优化,分析了反射光在光纤激光器中传输、放大的物理机制。通过理论和实验的研究,提出了一种高效优质抗反射光的高功率光纤技术。一、介绍了常见的解决反射光问题的思路和方法,针对现有常见光纤激光器的局限性,通过比较单谐振腔结构和MOPA结构的光纤激光器的优缺点,综合两者的优势,提出了“振荡-放大一体化”这种同时满足高功率、高效率、高光束质量和抗反射光四大要求的新结构。二、基于速率方程理论,建立了数值分析模型,利用该模型能够分析了激光中心波长、泵浦光波长、泵浦方式、增益光纤参数、光栅反射率、反射光等因素对“振荡-放大一体化”结构的激光器的影响。分析了反射光在光纤激光器中传输放大的物理过程,以及其对光纤激光器造成影响的物理机制。三、利用理论模型计算了振荡级和放大级两级之间的增益光纤的长度配比、前后向泵浦功率的配比等重要参数对激光器输出特性及抗反射性能的影响。研究发现,增加振荡级增益光纤长度占比和正向泵浦光注入功率占比都能够提高振荡级的激光输出功率,激光器整体的光光效率随着振荡级输出功率的增加而降低,其反射光放大倍数随着振荡级输出功率的增加而减小。考虑到效率和抗反射性能的变化是负相关的,统筹优化,分别以高效率和抗反射光为主要目标提出了“长腔方案”和“短腔方案”两套结构方案,经过理论模拟,预计“长腔方案”的光光效率为78.0%,反射光放大倍数为2.1倍,“短腔方案”的光光效率为84.2%,反射光放大倍数为11.2倍,为下一步的实验研究做好理论参考。四、依照设计方案研制了两套光纤激光器实验平台,对实验结果和模拟结果进行了对比分析,并进行了激光器抗反射实验,验证了“振荡-放大一体化”光纤激光器的抗反射性能。实验结果表明,“长腔方案”在泵浦光功率为2414 W时,激光器输出功率为1834 W,泵浦光和输出光之间的转换效率为76.0%,斜率效率为76.5%,光束质量M2随输出功率的增加而增大,满功率输出时M2达到了 1.57。“短腔方案”实现了大于2kW输出,泵浦光和输出光之间的转换效率为81.6%,光束质量M2=1.38。两套激光器都通过了抗反射光验证实验,高反射光环境下返回光功率增加幅度不大,说明反射光对激光器内部的影响较小,激光器抗反射性能高。考虑到“短腔方案”的抗反射光性能相对较弱,在高反射光环境下运行之后,还对其进行了超过2.5小时的烤机实验,结果表明其能够保持长期稳定输出。
【学位单位】：中国工程物理研究院
【学位级别】：硕士
【学位年份】：2018
【中图分类】：TN248
【部分图文】：

反射光进入端帽后，在锥形的结构中传播，入射角度会被放大，传播到光纤??端面时，大部分的反射光由于入射角度过大，只能在包层中传播，只有小部分的??反射光会进入纤芯。进入包层的反射光可以利用包层功率剥离器（Ｃｌａｄｄｉｎｇ?Ｐｏｗｅｒ??Ｓｔｒｉｐｐｅｒ?：ＣＰＳ）进行剥除。在输出端的端面镀一层抗反射膜，或者对端面进行磨??斜角处理，都能有效减少进入纤芯的反射光。前者的作用在于减少所有进入光纤??系统的反射光，包括进入光纤包层和纤芯的；后者的作用在于放大反射光的入射??角度，让更多的反射光无法进入纤芯，可以在包层中进行剥离。??实际上，光纤的光学损伤多是由于端面产生的菲涅尔反射引起的寄生振荡的??原因导致的。因此，对输出端面切斜角处理有利于抑制寄生振荡。而且，掺杂稀??土离子的硅玻璃光纤比不掺杂的硅玻璃光纤的损伤阈值低，将大部分反射光导入??无掺杂的包层中，也可以抑制光纤端面的光学损伤。??表１．１是Ｗａｔｔｅｒ等人对光纤激光器光纤端帽抗反射性能的研宄结果％，从下??表数据可以看出，与平面无镀膜的端帽结构相比，加镀抗反射膜能有效减少进入??光纤系统的菲涅尔反射光功率，从而提高输出光对反射光的抑制比；带有８°斜??

有一定的损伤阈值，在较低功率的情况下效果较好，但是应用到高功率的工业加??工领域，无论是输出光还是返回光功率都很高，普通的隔离器就不再适用。??ｎＬｉｇｈｔ公司研发了一款适用于高功率情况下的隔离装置＿，如图１．２所示：??Ｂａｃｋ－ｒｅｆｌｅｃｔｉｏｎ????Ｉｓｏｌａｔｉｏｎ??匕：＝?為］—??Ｌ?＝?？一??■■■?Ｖ?／??Ｖ?Ｖ??Ｐｕｍｐ?Ｍｏｄｕｌｅｓ?Ｌａｓｅｒ／Ｃｏｍｂｉｎｅｒ??１?Ｇａｉｎ?Ｍｏｄｕｌｅ??图１．２?ｎＬｉｇｈｔ公司研制的５００?Ｗ隔离器示意图??这个装置能将反射光分离出来，并引导至周边的通有冷却水的吸收区域，反??射光在该区域被吸收转化为热能被冷却系统带走，从而实现光纤激光器的抗反射??效果。该隔离装置内部还配有光电二极管（Ｐｈｏｔｏｄｉｏｄｅ：?ＰＤ）用于监测反射光的??功率大小。激光作用于金属材料表面时，反射光的强弱能够反映切割或焊接的进??５??

例如，刚刚开启激光的瞬间，金属呈固态，便面反射率较高，反射光??的功率相应也很高；金属吸收激光变成熔融状态时，反射率急剧下降，反射光功??率也随之降低。因此，可以通过监测反射光的大小，指导调节激光的输出功率、??切割头的焦距等参数，以达到优化加工效果的目的。??为了验证这种隔离装置抗反射光的性能，ｎＬｉｇｈｔ公司在反射光超过５００?Ｗ的??情况让激光器运行超过３０００小时，输出仍然能保持稳定，输出激光对返回光的??抑制比持续保持超过９８?％。??英国ＳＰＩ公司设计了一种名为ＧＴ－ｗａｖｅ技术的并行排列侧面泵浦耦合器技??术［１９】。这种耦合技术是将栗浦光纤与増益光纤平行排列，并相互缠绕，可以实现??多根泵浦光纤围绕单根增益光纤的结构。栗浦光纤和增益光纤外围涂覆有低折射??率涂覆层作为保护。这种结构的好处在于，信号光和泵浦光是分开传输的，在纤??芯中背向反射的信号光不会被耦合到泵浦光光路中，因此也不会对泵浦ＬＤ造成??损伤。除此之外，ＧＴ－ｗａｖｅ光纤可以采用多端口栗浦，而实现高功率耦合，而且??信号光的差损非常小，无需截断光路也能使实现双端泵浦。??
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本文编号：2883726