MOPA光纤激光系统放大级增益光纤特性与高质量种子源关键技术研究

发布时间：2017-03-18 10:03

  本文关键词：MOPA光纤激光系统放大级增益光纤特性与高质量种子源关键技术研究，由笔耕文化传播整理发布。

【摘要】：相比于普通的双包层线形腔高功率光纤激光器,主振荡光功率放大(MOPA)光纤激光系统具有结构灵活、效率高、体积小、重量轻、光束质量好等优点。随着光纤激光器应用领域的不断拓展,如：超高精度传感、临床治疗、工业加工、自由空间光通信、激光武器等领域,对于高功率和高光束质量的要求变得愈来愈高。未来MOPA光纤激光系统的发展趋势将是兼具高功率和高光束质量的全光纤系统,研究方向将主要集中在两个方面：放大级增益光纤的选型、设计和特性研究以及高质量种子源光纤激光器及其关键技术研究。鉴于此,本论文的主要工作是放大级增益光纤内部残余应力和折射率特性及高质量种子源光纤激光器关键技术研究,取得的主要研究成果和创新点如下： (1)利用先进的三维残余应力和折射率联合表征技术,首次对大模场单模掺铒光纤(LMA-SM-EDF)内部残余应力和折射率特性进行了联合表征,分别就光纤制作、光纤切割和电弧熔接等操作对LMA-SM-EDF内部残余应力和折射率特性造成的影响和扰动进行了深入细致和定量的实验研究与理论分析。研究结果对于未来大模场面积增益光纤的设计、制作和应用以及高功率全光纤激光器和放大器的制作和优化都具有重要的指导意义。 (2)首次对大模场单模掺镱光纤(LMA-SM-YDF)的电弧熔接特性进行了深入研究,发现通常被忽略的熔接操作引起的残余应力和折射率扰动对于光纤接续和模式传输特性的影响非常严重,并通过仿真模拟对造成的影响进行了定量的研究,结果证明熔接操作引起LMA-SM-YDF模场直径变化率可达到39.6%,残余应力和冻结粘弹性释放以及高浓度镱离子的扩散共同引起的纤芯／包层折射率差变化率可达到75.8%。 (3)在对光纤Bragg光栅和光纤F-P滤波器进行理论和实验研究的基础上,提出一种基于F-P滤波器的单频单偏振掺铒光纤激光器。通过对光纤Bragg光栅进行简单的拉伸调节,实现了4个单频激光波长之间的可切换运行。经过5h测量,激光器的输出波长波动小于0.01nm、功率波动小于0.04dB、偏振度(DOP)接近于100%、光信噪比高于60dB。如使用具有更宽反射谱特性的啁啾莫尔(Chirped Moire)光纤Bragg光栅F-P滤波器,本激光器的性能将会有进一步的提升。 (4)在对复合腔结构选模特性进行理论分析的基础上,分别提出基于级联非对称复合三腔结构、并联非对称复合四腔结构和混合型复合腔结构的高质量单波长单频掺铒光纤激光器。级联非对称复合三腔结构和并联非对称复合四腔结构提供了两种简单、低成本的单频光纤激光器实现方法,激光输出质量优秀、稳定性高。混合型复合腔结构由一个长有源线形主腔和一个短无源环形于腔构成,配合使用未泵浦掺铒光纤可饱和吸收体,激光器实现了高稳定的单频输出,在1h观测时间内的波长和功率波动分别为小于0.7pm和0.07dB；输出线宽为650Hz、光信噪比为67dB、偏振度接近100%、偏振消光比为30.57dB；通过使用特殊的光栅重涂覆技术,实现了约8.1nm的波长宽调谐范围：激光器的大部分输出指标参数均已高于已报道同类激光器。 (5)提出一种基于混合型复合三腔结构的可切换以及波长间隔可调谐双波长光纤激光器。在双波长工作模式下,激光器的波长间隔可以从0.430nnm调谐到4.487nm,而且两个波长激光输出具有相同的偏振方向,可以用于制作可调谐微波信号发生器。在单波长工作模式下,激光器既可工作于固定波长1544.108nm(λ1)处,也可作为可调谐激光器工作,调谐范围为1544.538nm～1548.595nm(λ2),而且两个波长的线宽分别达到了760Hz和810Hz。无论工作在何种模式下,激光输出偏振消光比都达到了30dB以上,可以用于对单偏振要求较高的场合。此外,激光器具有高波长和功率稳定性以及高输出光信噪比。 (6)提出一种基于新型环形复合腔结构的可切换以及波长间隔可调谐双波长光纤激光器。使用的复合腔结构具有优秀的选模能力,激光器具有高输出稳定性和光信噪比。在双波长工作模式下,激光器的波长间隔可以从0nm调谐到4.83nm,可以用于制作可调谐微波信号发生器,调谐范围可达0～606GHz。在单波长工作模式下,激光器既可工作于固定波长1543.65nm(λ1)处,也可作为可调谐激光器使用,调谐范围为1543.65nm～1548.48nm(λ2),两个波长的线宽分别达到了550Hz和600Hz,而且在每个波长处,激光输出偏振消光比都达到了21dB以上。
【关键词】：光纤激光器 放大级 残余应力和折射率 种子源 单波长 双波长 窄线宽 可调谐
【学位授予单位】：北京交通大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2015
【分类号】：TN253
【目录】：

• 致谢5-7
• 摘要7-9
• ABSTRACT9-14
• 1 绪论14-42
• 1.1 引言14-16
• 1.2 MOPA光纤激光技术16-20
• 1.2.1 国内外发展现状16-19
• 1.2.2 全光纤MOPA激光系统的应用前景和发展趋势19-20
• 1.3 论文的选题背景和研究目标20-22
• 1.3.1 放大级增益光纤特性研究20-21
• 1.3.2 高质量种子源光纤激光器研究21-22
• 1.4 光纤内部残余应力和折射率分布特性表征技术22-26
• 1.4.1 残余应力分布特性表征技术22-24
• 1.4.2 折射率分布特性表征技术24-26
• 1.5 高质量种子源光纤激光器技术发展与研究现状26-31
• 1.5.1 单频窄线宽光纤激光器研究与发展27-29
• 1.5.2 单频窄线宽光纤激光器实现技术方案29-31
• 1.6 本论文的结构安排31-33
• 参考文献33-42
• 2 光纤内部残余应力和折射率特性联合表征技术理论及实验方法42-64
• 2.1 引言42-43
• 2.2 三维残余应力和折射率联合表征方法43-55
• 2.2.1 三维残余应力表征方法43-49
• 2.2.2 三维折射率表征方法49-55
• 2.2.3 测量过程中的背景误差移除和噪声平均55
• 2.2.4 联合表征55
• 2.3 实验仪器及控制系统55-59
• 2.4 本章小结59-60
• 参考文献60-64
• 3 大模场增益光纤内部残余应力和折射率特性联合表征64-92
• 3.1 引言64-65
• 3.2 高浓度LMA-SM-EDF内部残余应力和折射率特性表征65-79
• 3.2.1 无扰动LMA-SM-EDF特性表征65-71
• 3.2.2 切断面附近LMA-SM-EDF特性表征71-73
• 3.2.3 LMA-SM-EDF 电弧熔接特性表征73-79
• 3.3 高浓度LMA-SM-YDF电弧熔接特性研究79-87
• 3.3.1 残余应力特性研究82-84
• 3.3.2 折射率特性研究84-87
• 3.4 基于光纤特性表征优化放大级增益光纤制作工艺87-88
• 3.5 本章小结88-89
• 参考文献89-92
• 4 光纤Bragg光栅理论与实验制作及非对称复合腔结构选模理论分析92-112
• 4.1 引言92-94
• 4.2 光纤Bragg光栅的耦合模理论94-100
• 4.2.1 光纤Bragg光栅的谐振波长94-95
• 4.2.2 光纤Bragg光栅的耦合模理论95-98
• 4.2.3 耦合模方程的数值解法-传输矩阵法98-100
• 4.3 光纤Bragg光栅的实验制作100-102
• 4.4 基于光纤Bragg光栅的F-P滤波器理论仿真及实验制作102-104
• 4.5 非对称复合多腔结构选模理论分析104-108
• 4.5.1 非对称线形复合腔结构选模理论105-107
• 4.5.2 非对称环形复合腔结构选模理论107-108
• 4.6 本章小结108
• 参考文献108-112
• 5 高质量单波长种子源光纤激光器技术研究112-142
• 5.1 引言112
• 5.2 基于F-P滤波器的波长可切换单频单偏振光纤激光器112-119
• 5.3 基于级联非对称复合三腔结构的单频光纤激光器119-125
• 5.4 基于并联非对称复合四腔结构的单频光纤激光器125-128
• 5.5 基于混合型复合腔结构的波长可调谐单频单偏振光纤激光器128-135
• 5.6 单频光纤激光器线宽测试原理及实验系统135-138
• 5.7 本章小结138-139
• 参考文献139-142
• 6 高质量双波长种子源光纤激光器技术研究142-166
• 6.1 引言142-143
• 6.2 基于混合型复合三腔结构的双波长光纤激光器143-151
• 6.3 基于新型环形复合腔结构的双波长光纤激光器151-160
• 6.4 波长光纤激光器在微波信号生成上的应用160-162
• 6.5 本章小结162-163
• 参考文献163-166
• 7 总结与展望166-170
• 7.1 本论文的主要研究内容与创新点166-169
• 7.2 下一步拟进行的研究工作展望169-170
• 作者简历及攻读博士学位期间取得的研究成果170-178
• 学位论文数据集178

【参考文献】

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本文编号：254265