1.5 μm高功率窄线宽光纤激光MOPA关键技术研究
发布时间：2021-03-26 03:27
高功率窄线宽线偏振单频光纤激光器的结构紧凑、稳定性好、易操作免维护,在激光雷达、引力波探测、空间光通信、非线性变频等领域有重要的应用。特别是1.5μm波段kHz线宽的单频激光,使用非线性晶体将其倍频到780 nm,并采用铷原子吸收线进行稳频,可获得长期频率稳定的铷原子操作激光,在基于原子的精密测量领域具有重要价值。再加上其特有的人眼安全、光纤传输损耗低、大气透过率高等优势,近年来得到人们的广泛关注。采用主振荡功率放大（MOPA）技术是获得这种激光源的重要途径。本论文围绕1.5μm波段高功率窄线宽的MOPA结构单频光纤激光器开展研究,具体工作内容包括:第一,基于速率方程和传输方程构建了铒镱共掺双包层光纤（EY-DCF）放大器的理论模型,指明了高功率泵浦下反向传输的Yb-ASE是限制其功率提升的主要原因。提出并演示了一种基于双波长辅助信号注入技术的包层泵浦的EY-DCF放大器方案。实验结果表明,通过使用波长为1030nm和1040 nm的辅助信号,可大幅缓解单一波长信号注入时因EY-DCF非均匀增益加宽效应,对抑制反向Yb-ASE中潜在自激谱峰的制约,既可以增大放大过程中允许的最大泵浦光功...
【文章来源】：中国科学技术大学安徽省 211工程院校 985工程院校
【文章页数】：103 页
【学位级别】：博士
【部分图文】：
图１－１主振荡功率放大（ＭＯＰＡ）结构【６１Ｉ??Ｓｉｎｇｅ－ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ?ｓｅｅｄ：单频种子源；ＩＳＯ：隔离器??
纤激光器逐渐进入高功率激光器的行列。??由于稀土镱离子（Ｙｂ３＋）的发射谱覆盖９００－１１００?ｎｍ波段，在商用高功率泵??浦源对应的９７５?ｒｎｎ波长处存在吸收峰，且Ｙｂ３＋能级结构简单，不存在激发态吸??收和交叉驰豫等现象［６９］，因此对于１?波段激光的放大主要是使用掺镱光纤放??大器。早在２００７年，南安普顿大学的ＹｏｏｎｃｈａｎＪｅｏｎｇ等人就将中心波长为１０６０??ｎｍ、线宽６０?ｋＨｚ、输出功率８０?ｍＷ的ＤＦＢ型光纤激光种子源，通过四级级联??掺镱光纤放大器［７Ｑ］，如图１－２所示，实现了?４０２?Ｗ激光输出。??Ｌａｒｇｅ?－ｃｏｒｅ?ｄｏｕｂｌｅ?－ｃｌａｄ??ＹＤＦ??２５０?ｍＷ－２Ｗ－７Ｗ??８０禮，???ｓｗＭ???｜＇ｉ?＼＿３?Ｉ?？?Ｉｓｏｌａｔｏｒ?Ｂ？ｎ．．?？?１１１）１１?？?Ｓｉｇｎａｌ?ｏｕｔｐｕｔ??Ｓｅｅｄ：?？—??１?Ｐｏｌａｒｉｚｅｒｓ?ｉ?ｔｈｒｕ?ｅｎｄｓ?＿??ＳＦ／ＳＭ／ＳＰ?ｉｎｔｅｒｍｅｄｉａｔｅ?——Ｔ—ｕ—????ａｍｐｌｉｆｉｅｒ?ｃｈａｉｎｓ?Ｓ８Ｓ?Ｄｉｏｄｅ?ｐｕｍｐ??ｍｏｎｉｔｏｒｉｎｇ?ｓｏｕｒｃｅ．?９７５?ｎｍ??图１－２?１?ｎｍ波段光纤激光器ＭＯＰＡ结构??对于１．５?ｐｍ波段单频激光的功率提升，可以使用掺铒光纤或铒镱共掺光纤??放大器，由于铒离子（Ｅｒ３＋）在过高的掺杂浓度下容易发生团簇等材料效应［７１］，??因此，必须使用较长的光纤长度或者提高光纤的纤芯直径，以获得较高的栗浦吸??收，然而较长的光纤会使得非线性效应的阈值降低，难以实现高功率输出。因此，??Ｌ．?Ｖ．?Ｋｏｔｏｖ等人
光纤激光输出的ＭＯＰＡ结构中，其功率放大级??均是使用大模场直径的双包层光纤作为増益介质，并采用分离体光学元器件的空??间耦合方式。尽管已经得到数百Ｗ量级的功率输出，但存在结构复杂、调整困??难、功率稳定性差、输出光束质量不好、光纤端面易损伤等缺点［７７］。随着当前日??益发展的应用需求，无论是在稳定性、紧凑性以及更好的光束质量等方面都还需??要进一步提升，而全光纤型的ＭＯＰＡ结构可以满足以上要求，因此研究高功率??窄线宽光纤激光的ＭＯＰＡ关键技术是有重要意义的。??．?？二??图１－３?７ｘ１熔融光纤束耦合器结构示意图Ｗ??直到１９９９年，Ｇｉｏｖａｎｎｉ和Ｓｔｅｎｔｚ等人提出了如图１－３所示的熔融光纤束耦??合器ｔ％，全光纤型的ＭＯＰＡ结构才得以实现。该熔融光纤束耦合器将多根多模??光纤和双包层光纤各自去除涂覆层后，按一定顺序排列，熔融拉锥至与双包层光??纤芯径尺寸相差不大时，切割端面后与输出光纤熔接。其结构简单、耦合效率高、??便于封装，但是本质上也是一种端面耦合技术，生产工艺繁琐，灵活性较差，且??难以实现后向泵浦。为解决此问题，Ｋｏｐｌｏｗ等人提出将泵浦光从双包层光纤的??侧面耦合到内包层中的侧面泵浦技术，可以直接在双包层光纤的侧面上进行操作??［７９］，不使用光纤端面，因而可以输出更高的功率。得益于高功率光纤合束器的发??展，全光纤结构的ＭＯＰＡ激光器也随之快速发展起来。??尽管使用单根双包层光纤的非单频１０６４?ｎｍ激光器的单横模连续光输出功??率已达数千瓦量级［８Ｇ］，但是，采用全光纤型ＭＯＰＡ结构的单频窄线宽激光的输??出功率尚且只有数百瓦［？１］，对于１．５?ｐｍ波段，全光纤型ＭＯＰＡ激光器的输出
本文编号：3100856
【文章来源】：中国科学技术大学安徽省 211工程院校 985工程院校
【文章页数】：103 页
【学位级别】：博士
【部分图文】：
图１－１主振荡功率放大（ＭＯＰＡ）结构【６１Ｉ??Ｓｉｎｇｅ－ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ?ｓｅｅｄ：单频种子源；ＩＳＯ：隔离器??
纤激光器逐渐进入高功率激光器的行列。??由于稀土镱离子（Ｙｂ３＋）的发射谱覆盖９００－１１００?ｎｍ波段，在商用高功率泵??浦源对应的９７５?ｒｎｎ波长处存在吸收峰，且Ｙｂ３＋能级结构简单，不存在激发态吸??收和交叉驰豫等现象［６９］，因此对于１?波段激光的放大主要是使用掺镱光纤放??大器。早在２００７年，南安普顿大学的ＹｏｏｎｃｈａｎＪｅｏｎｇ等人就将中心波长为１０６０??ｎｍ、线宽６０?ｋＨｚ、输出功率８０?ｍＷ的ＤＦＢ型光纤激光种子源，通过四级级联??掺镱光纤放大器［７Ｑ］，如图１－２所示，实现了?４０２?Ｗ激光输出。??Ｌａｒｇｅ?－ｃｏｒｅ?ｄｏｕｂｌｅ?－ｃｌａｄ??ＹＤＦ??２５０?ｍＷ－２Ｗ－７Ｗ??８０禮，???ｓｗＭ???｜＇ｉ?＼＿３?Ｉ?？?Ｉｓｏｌａｔｏｒ?Ｂ？ｎ．．?？?１１１）１１?？?Ｓｉｇｎａｌ?ｏｕｔｐｕｔ??Ｓｅｅｄ：?？—??１?Ｐｏｌａｒｉｚｅｒｓ?ｉ?ｔｈｒｕ?ｅｎｄｓ?＿??ＳＦ／ＳＭ／ＳＰ?ｉｎｔｅｒｍｅｄｉａｔｅ?——Ｔ—ｕ—????ａｍｐｌｉｆｉｅｒ?ｃｈａｉｎｓ?Ｓ８Ｓ?Ｄｉｏｄｅ?ｐｕｍｐ??ｍｏｎｉｔｏｒｉｎｇ?ｓｏｕｒｃｅ．?９７５?ｎｍ??图１－２?１?ｎｍ波段光纤激光器ＭＯＰＡ结构??对于１．５?ｐｍ波段单频激光的功率提升，可以使用掺铒光纤或铒镱共掺光纤??放大器，由于铒离子（Ｅｒ３＋）在过高的掺杂浓度下容易发生团簇等材料效应［７１］，??因此，必须使用较长的光纤长度或者提高光纤的纤芯直径，以获得较高的栗浦吸??收，然而较长的光纤会使得非线性效应的阈值降低，难以实现高功率输出。因此，??Ｌ．?Ｖ．?Ｋｏｔｏｖ等人
光纤激光输出的ＭＯＰＡ结构中，其功率放大级??均是使用大模场直径的双包层光纤作为増益介质，并采用分离体光学元器件的空??间耦合方式。尽管已经得到数百Ｗ量级的功率输出，但存在结构复杂、调整困??难、功率稳定性差、输出光束质量不好、光纤端面易损伤等缺点［７７］。随着当前日??益发展的应用需求，无论是在稳定性、紧凑性以及更好的光束质量等方面都还需??要进一步提升，而全光纤型的ＭＯＰＡ结构可以满足以上要求，因此研究高功率??窄线宽光纤激光的ＭＯＰＡ关键技术是有重要意义的。??．?？二??图１－３?７ｘ１熔融光纤束耦合器结构示意图Ｗ??直到１９９９年，Ｇｉｏｖａｎｎｉ和Ｓｔｅｎｔｚ等人提出了如图１－３所示的熔融光纤束耦??合器ｔ％，全光纤型的ＭＯＰＡ结构才得以实现。该熔融光纤束耦合器将多根多模??光纤和双包层光纤各自去除涂覆层后，按一定顺序排列，熔融拉锥至与双包层光??纤芯径尺寸相差不大时，切割端面后与输出光纤熔接。其结构简单、耦合效率高、??便于封装，但是本质上也是一种端面耦合技术，生产工艺繁琐，灵活性较差，且??难以实现后向泵浦。为解决此问题，Ｋｏｐｌｏｗ等人提出将泵浦光从双包层光纤的??侧面耦合到内包层中的侧面泵浦技术，可以直接在双包层光纤的侧面上进行操作??［７９］，不使用光纤端面，因而可以输出更高的功率。得益于高功率光纤合束器的发??展，全光纤结构的ＭＯＰＡ激光器也随之快速发展起来。??尽管使用单根双包层光纤的非单频１０６４?ｎｍ激光器的单横模连续光输出功??率已达数千瓦量级［８Ｇ］，但是，采用全光纤型ＭＯＰＡ结构的单频窄线宽激光的输??出功率尚且只有数百瓦［？１］，对于１．５?ｐｍ波段，全光纤型ＭＯＰＡ激光器的输出
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