大功率光纤端帽和光纤功率合束器研究

发布时间：2017-12-06 08:13

  本文关键词：大功率光纤端帽和光纤功率合束器研究

  更多相关文章： 光纤激光器 光纤端帽 光纤合束器 拉锥光纤 多芯光纤 光束质量

【摘要】：光纤激光器具有转换效率高、光束质量好、热管理方便、结构紧凑等优点,被广泛应用于工业加工和国防安全等领域。近年来光纤激光器的输出功率不断提高,已经成为高功率激光发展的重要方向之一。但是,受光纤端面损伤、非线性效应及热效应等因素的限制,光纤激光器的功率提升面临着巨大挑战。大功率光纤端帽能够提高光纤激光器输出端面的损伤阈值,有效解决光纤端面损伤问题。而光纤功率合束器则可以通过将多路高功率的光纤激光合束到一根光纤得到更高输出功率,是突破单根光纤激光器输出功率瓶颈的重要方案之一。本论文围绕光纤端帽和光纤功率合束器这两种大功率光纤器件开展研究,研究工作主要包括以下几个方面:1、理论计算了信号激光在光纤端帽中传输的光斑直径、回光损耗以及腰斑偏移量等参数,并进行了实验验证。制作了大功率少模光纤端帽和多模光纤端帽,并分别进行了3.01 kW和6.26 kW的高功率测试。开展了一体化光纤端帽准直器的理论和实验研究,实现了大功率光纤激光的直接空间耦合,测量耦合损耗小于0.3dB。2、基于三层介质波导模型分析了拉锥单芯光纤和拉锥多芯光纤的模式特性,推导了拉锥多芯光纤纤芯基模截止条件的近似公式。基于单芯光纤的拉锥技术制作了单模光纤和大模场光纤之间的单模光纤模场适配器,测量传输损耗小于0.4dB。分别基于控制空气孔塌缩技术和选择空气孔塌缩技术制作了多芯光子晶体光纤模场适配器,实现了双包层光纤和七芯光子晶体光纤的低损耗熔接,最小损耗值为0.22 dB,解决了基于光子晶体光纤的百瓦量级超连续谱光源的瓶颈问题。3、建立了纤芯耦合型光纤功率合束器的理论模型并开展了相关实验研究。基于导模分解法建立了纤芯耦合型光纤功率合束器的理论模型,分析了输入光纤不同偏移条件下输出光纤中激发的模式特性。基于光束传播法仿真分析了纤芯耦合型光纤功率合束器用于光纤激光非相干合成的合成特性,实验制作了7×1纤芯耦合型光纤功率合束器并进行了大功率单模光纤激光合成,实现了输出功率为6.08kW,光束质量为M~2-10.2的激光合成。仿真分析了纤芯耦合型光纤功率合束器用于超连续谱光纤激光的非相干合成效果,并进行了大功率合成实验,实现了7路合成功率为802 W、光谱覆盖1060-1700 nm的高功率超连续谱输出。4、建立了包层耦合型光纤功率合束器的理论模型并开展了相关实验研究。基于拉锥多芯光纤的模式演化规律建立了包层耦合型光纤功率合束器的理论模型,采用解析方法求解了包层耦合型光纤功率合束器实现非相干合成的合束激光光束质量。结果表明,对于3×1和7×1包层耦合型光纤功率合束器,合成激光光束质量极限分别为M~2-1.75和M~2-2.70。仿真分析了拉锥长度、有效包层厚度比、输出光纤纤芯直径和熔锥光纤束包层形状等因素合成激光光束质量的影响。实验制作了7×1包层耦合型光纤功率合束器并进行了大功率单模光纤激光合成,实现了输出功率为6.26 kW,光束质量为M~2-4.3的激光合成,输出功率指标和光束质量指标均为目前国际上公开报道的最高水平。
【学位授予单位】：国防科学技术大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：TN253

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本文编号：1257927