高功率光纤激光器中横模不稳定的理论研究与抑制方法
发布时间：2020-12-30 03:42
21世纪是光子的时代,高功率光纤激光器作为新一代激光器,相比气体、化学、固体等激光器,具有高光电转换效率、良好散热性、优异光束质量、紧凑性等优点,广泛应用于工业加工、国防军工、科学研究等领域。横模不稳定的横空出现,成为了制约单纤单模激光器功率水平进一步提升的主要非线性效应,限制了对高亮度激光器要求苛刻的领域应用。横模不稳定效应作为目前高功率光纤激光器发展的主要限制,对其理论分析及抑制方法的研究具有重大意义。本论文对于高功率光纤激光器中横模不稳定的理论研究及抑制方法,取得的研究成果如下:从速率方程、热传导方程和波动方程出发,建立了一个高维度多物理场耦合的横模不稳定耦合模模型。进一步验证模型的可靠性,和讨论耦合系数的影响要素。为了适用于数千瓦的光纤激光系统,横模不稳定模型中加入了增益饱和效应作用时,既考虑信号光饱和也考虑泵浦光饱和。理论模型中分别引入受激拉曼散射效应和光子暗化效应的作用,二者均伴随热效应产生,加剧横模不稳定效应,理论结果表明横模不稳定阈值显著下降。提出评判横模不稳定阈值的新标准-横模不稳定泵浦阈值,可以有效评判不同类型大模场光纤的横模不稳定抑制能力。从激光器参数、非线性效应...
【文章来源】：华南理工大学广东省 211工程院校 985工程院校 教育部直属院校
【文章页数】：125 页
【学位级别】：博士
【部分图文】：
36kW高功率光纤激光器结构图
[22]。基于以上单纤单模激光功率的提升，可以绘制如图1-2所示的功率提升图[23]。不难发现，光纤激光的功率水平呈 2 dB/年的速度增长。近几年高功率光纤激光器的功率水平已经处于停滞状态，这主要是非线性效应的限制。（2）国内研究现状高功率光纤激光器在国内的研究起步较晚，但近几年来也取得了较大进展，清华大学[24–27]、国防科技大学[28,29]、中科院上海光机所[30,31]、兵器装备研究院[32]、中电集团[33]、中国工程物理研究院[34,35]等多家单位都已实现了光纤激光器数千瓦甚至十千瓦的功率水平输出。2
基于大模场掺镱石英光纤和二极管激光器泵浦，在理想的情况下推导出光纤激光器最高可以实现单纤单模 36.6 kW 的激光，具体如图1-3所示。图 1-3 功率提升极限图[81]Fig. 1-3 Physical power limits[81]光纤激光器相比二极管激光器在亮度上有数个量级的提升，因此，将二级管激光器替换为光纤激光器进行泵浦可以实现最高 70.7 kW 的单纤单模激光[82]。然而，以目前的功率水平，除了 IPG 公司采用同带泵浦方式以及定制光纤实现 20 kW 的功率水平[21]，采用二极管泵浦的光纤激光器仅能实现数千瓦的水平，二者与理论计算结果均有较大差7
【参考文献】：
期刊论文
[1]全国产单纤激光系统获得10.6 kW激光输出[J]. 林宏奂,唐选,李成钰,郭超,刘玙,赵鹏飞,王波鹏,王建军,景峰. 中国激光. 2018(03)
[2]输出功率突破3kW的全光纤激光振荡器[J]. 张汉伟,王小林,杨保来,史尘,粟荣涛,马鹏飞,周朴,许晓军,陈金宝,刘泽金. 中国激光. 2017(04)
[3]Experimental demonstration of transverse mode instability enhancement by a counter-pumped scheme in a 2 kW all-fiberized laser[J]. ZEBIAO LI,ZHIHUA HUANG,XIAOYU XIANG,XIAOBAO LIANG,HONGHUAN LIN,SHANHUI XU,ZHONGMIN YANG,JIANJUN WANG,FENG JING. Photonics Research. 2017(02)
[4]高功率掺镱光纤的现状及发展趋势[J]. 王一礴,李进延. 中国激光. 2017(02)
[5]LD抽运主振荡功率放大结构4.1kW全光纤激光器[J]. 王小林,张汉伟,陶汝茂,粟荣涛,周朴,许晓军. 中国激光. 2016(05)
[6]全光纤化高效率、窄线宽光纤激光器实现2.5kW近衍射极限输出[J]. 杨依枫,沈辉,陈晓龙,全昭,郑也,刘广柏,漆云凤,何兵,周军,陈卫标. 中国激光. 2016(04)
[7]Mode converter based on dual-core all-solid photonic bandgap fiber[J]. Yong Jun Zhang,Yuan Wang,Shan Yong Cai,Ming Ying Lan,Song Yu,Wan Yi Gu. Photonics Research. 2015(05)
[8]掺Yb3+光纤中光暗化的研究概述[J]. 杨斌华,朱源,肖春. 光纤与电缆及其应用技术. 2015(04)
[9]国产光纤实现直接抽运全光纤化3000W级激光输出[J]. 王雪娇,肖起榕,闫平,陈霄,李丹,杜城,莫琦,衣永青,潘蓉,巩马理. 物理学报. 2015(16)
[10]高功率微波波导无源器件迭代设计方法[J]. 王强,崔奉云,周海京,杨春,李彪,何晓阳. 强激光与粒子束. 2014(06)
本文编号：2946916
【文章来源】：华南理工大学广东省 211工程院校 985工程院校 教育部直属院校
【文章页数】：125 页
【学位级别】：博士
【部分图文】：
36kW高功率光纤激光器结构图
[22]。基于以上单纤单模激光功率的提升，可以绘制如图1-2所示的功率提升图[23]。不难发现，光纤激光的功率水平呈 2 dB/年的速度增长。近几年高功率光纤激光器的功率水平已经处于停滞状态，这主要是非线性效应的限制。（2）国内研究现状高功率光纤激光器在国内的研究起步较晚，但近几年来也取得了较大进展，清华大学[24–27]、国防科技大学[28,29]、中科院上海光机所[30,31]、兵器装备研究院[32]、中电集团[33]、中国工程物理研究院[34,35]等多家单位都已实现了光纤激光器数千瓦甚至十千瓦的功率水平输出。2
基于大模场掺镱石英光纤和二极管激光器泵浦，在理想的情况下推导出光纤激光器最高可以实现单纤单模 36.6 kW 的激光，具体如图1-3所示。图 1-3 功率提升极限图[81]Fig. 1-3 Physical power limits[81]光纤激光器相比二极管激光器在亮度上有数个量级的提升，因此，将二级管激光器替换为光纤激光器进行泵浦可以实现最高 70.7 kW 的单纤单模激光[82]。然而，以目前的功率水平，除了 IPG 公司采用同带泵浦方式以及定制光纤实现 20 kW 的功率水平[21]，采用二极管泵浦的光纤激光器仅能实现数千瓦的水平，二者与理论计算结果均有较大差7
【参考文献】：
期刊论文
[1]全国产单纤激光系统获得10.6 kW激光输出[J]. 林宏奂,唐选,李成钰,郭超,刘玙,赵鹏飞,王波鹏,王建军,景峰. 中国激光. 2018(03)
[2]输出功率突破3kW的全光纤激光振荡器[J]. 张汉伟,王小林,杨保来,史尘,粟荣涛,马鹏飞,周朴,许晓军,陈金宝,刘泽金. 中国激光. 2017(04)
[3]Experimental demonstration of transverse mode instability enhancement by a counter-pumped scheme in a 2 kW all-fiberized laser[J]. ZEBIAO LI,ZHIHUA HUANG,XIAOYU XIANG,XIAOBAO LIANG,HONGHUAN LIN,SHANHUI XU,ZHONGMIN YANG,JIANJUN WANG,FENG JING. Photonics Research. 2017(02)
[4]高功率掺镱光纤的现状及发展趋势[J]. 王一礴,李进延. 中国激光. 2017(02)
[5]LD抽运主振荡功率放大结构4.1kW全光纤激光器[J]. 王小林,张汉伟,陶汝茂,粟荣涛,周朴,许晓军. 中国激光. 2016(05)
[6]全光纤化高效率、窄线宽光纤激光器实现2.5kW近衍射极限输出[J]. 杨依枫,沈辉,陈晓龙,全昭,郑也,刘广柏,漆云凤,何兵,周军,陈卫标. 中国激光. 2016(04)
[7]Mode converter based on dual-core all-solid photonic bandgap fiber[J]. Yong Jun Zhang,Yuan Wang,Shan Yong Cai,Ming Ying Lan,Song Yu,Wan Yi Gu. Photonics Research. 2015(05)
[8]掺Yb3+光纤中光暗化的研究概述[J]. 杨斌华,朱源,肖春. 光纤与电缆及其应用技术. 2015(04)
[9]国产光纤实现直接抽运全光纤化3000W级激光输出[J]. 王雪娇,肖起榕,闫平,陈霄,李丹,杜城,莫琦,衣永青,潘蓉,巩马理. 物理学报. 2015(16)
[10]高功率微波波导无源器件迭代设计方法[J]. 王强,崔奉云,周海京,杨春,李彪,何晓阳. 强激光与粒子束. 2014(06)
本文编号：2946916
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