高功率窄线宽光纤激光器理论和实验研究
发布时间：2019-10-08 11:40
【摘要】：单纤功率存在极限,采用功率合成技术是提高光纤激光输出总功率的有效技术途径。无论是相干合成还是光谱合成均要求子束光纤激光具有较窄的线宽。因此针对光纤功率合成应用需求,本论文重点对高功率窄线宽光纤激光在非线性效应、退偏振效应和放大自发辐射(ASE)效应上存在的问题进行理论和实验研究。本论文建立了可同时分析窄线宽光纤放大各重要物理过程的模型,采用该模型完成了光纤布拉格光栅(FBG)和单频调制放大器的数值仿真和设计参数优化。提出了进一步压窄线宽和抑制SBS的新方法,并开展实验进行了验证。通过对退偏振过程中光束质量和线宽变化规律的分析,提出了如何有效控制放大过程退偏振的方法,并通过实验进行了验证。采用经典模型分析了光纤激光放大器中各项参数对ASE的影响并进行了实验研究,为短波长放大器设计提供了支撑。一、介绍了国内外高功率窄线宽光纤激光器及其应用领域的最新研究进展,归纳了典型的光纤激光功率合成方案对子束光纤激光指标的要求,重点阐述了窄线宽光纤激光器研究中面临的关键物理和技术问题。二、(1)在传统模型的基础上,建立了针对窄线宽高功率光纤激光放大器模型,该模型同时考虑了光纤激光振荡器／放大器中的激光放大、受激拉曼散射(SRS)、热效应、ASE、受激布里渊(SBS)和四波混频(FWM)等重要物理过程,具备了同时针对单频调制窄线宽光纤激光放大器和FBG窄线宽光纤激光放大器的设计能力；(2)针对这两种典型窄线宽光纤激光器的方案,利用该模型对激光器中各项参数对SBS和光谱展宽的影响进行了分析,完成了两种方案的优化设计；(3)开展了两种方案的实验研究,对设计结果进行了验证：a)FBG窄线宽光纤激光放大实验：针对单振荡器结构光谱展宽严重的问题,提出了“少”纵模振荡器加一级预放大器作为种子源的结构代替原有的单振荡器方案,将线宽进一步压窄,实现了1800W,光光效率85%,二阶矩线宽0.31nm(半高全宽0.16nm),信噪比30dB,光束质量M~x_2=1.218,My2=1.185的窄线宽输出；b)单频调制窄线宽光纤激光放大实验：针对不同芯径光纤的放大器SBS抑制效果进行了实验验证：采用20μm增益光纤,实现了1228W的输出,光光效率84%,线宽0.04nm,信噪比57dB,M~x_2=1.218,My2=1.155;采用25μm增益光纤,实现了2000W,光光效率84%,线宽0.04nm,信噪比43dB；(4)对于两种方案各自存在的问题,提出了基于单频调制的双种子光注入放大的方案,既缓解了放大过程光谱展宽的问题,也有效控制了放大器中的SBS：采用20μm增益光纤开展了实验验证,当泵浦功率为1470W时,激光输出1200W,线宽0.075nm,激光器光光效率达到82%,回光功率41mW,比单种子注入情况的回光功率整整少了一倍；(5)在理论和实验研究基础上,给出了线宽小于60GHz、功率大于5kW的窄线宽光纤激光器设计：基于单频调制窄线宽光纤激光放大方案,将单频种子源展宽至-60GHz,通过前向泵浦方式,利用20gm增益光纤作为主放大器光纤,可实现大于5kW输出。三、得到了对高功率光纤激光实现偏振输出的基本条件的新认识：光纤激光保持较好的横模模式特性(光束质量达到近衍射极限)是大模场光纤激光器偏振输出的必要条件之一,同时还要保证窄线宽输出,减小偏振模色散导致的退偏振。实验结果表明,光束质量的下降往往伴随着偏振度(DOP)的下降,且放大器DOP比较高的话,光束质量也会更好,说明随机偏振激光以高阶模形式存在。FBG窄线宽放大器由于放大过程光谱展宽,即使当光束质量为近衍射极限输出时,DOP仍然只有77%,验证了光谱展宽造成的模间色散是DOP下降的另外一个主要原因。通过光束质量和线宽的有效控制,实现了基于偏振种子源+非保偏少模光纤放大器90%DOP输出。通过主动偏振控制实现了最大功率1000W输出,线宽0.04nm,光束质量约为1.2,PER约为14.5。四、基于经典的光纤激光理论模型,对不同波长放大过程的ASE进行了模拟仿真和比较,结果表明,相较于普遍应用的波长,1030nm前向和反向输出的ASE均较为显著。通过对1030nm放大器的模拟仿真,优化了放大器的结构设计；搭建了MOPA结构的1030nm窄线宽激光器,实现了线宽0.072nm(半高全宽)的1030nm窄线宽1010W输出,光-光效率81%,1030nm输出功率占总输出功率比例大于99%。
【图文】：
高速相位调制的方法展宽单频种子源的光谱，有效降低光谱的功率密度，提离ＳＢＳ效应逡逑的阔值。逡逑２０１１年，Ｆ化ｅｒｔｅｋ公司搭建了空间z1合结构的多级光纤激光放大器（如图１．３所示），逡逑通过相位调制的方法将种子源展宽至化４５ＧＨｚ。主放大级采用３５叫Ｔ＞化纤最终实现了逡逑化Ｗ近衍射极限输出（Ｍ２＜１．４），，量子效率８３％１３１１。最NB功率输山时，在凹光光谱中可逡逑观测到ＳＢＳ，说明该放大器己达到ＳＢＳ阀值条件。国１．４ａ）为放大器输出功率随累浦功逡逑率的变化曲线，整个放大过程激光器保持着８５％的光光效率：图１．４ｂ）为高分辨率光谱逡逑测试结果，经过调制后，种子源的线宽由单频展宽至化４５ＧＨｚ；图１．４ｃ）为分辨率为２ｎｍ逡逑时的ＩｋＷ前向输出光谱，图Ｌ４ｄ）为分辨率为Ｏ．Ｏｌｎｍ时的ＩｋＷ前向和反向的光谱对逡逑比，此时在回光中己经可Ｗ分辨出ＳＢＳ。逡逑３逡逑
图１．４邋ｋＷ级窄线宽放大器功率和光谱输出参灥２ｉ］逡逑２０１４年，采用２５＾１１１１的非保偏惨德光纤作为主放光纤，Ｎｕｆｅｒｎ公司搭建了四级放大逡逑的Ｍ０ＰＡ结构窄线宽激光放大器，如图１．５所示。采用ＰＲＢＳ相位调制的方法，通过优逡逑化调制参数，全光纤激光器ＳＢＳ阔值得到显著提升。最终激光器实现了邋ＬＨｋＷ邋３ＧＨｚ逡逑线宽输出，光光效率８３％，信号光信噪比５０ｄＢ，Ｍ２＝１．２Ｐ２１，如图１．６所示。放大器中逡逑的回光己出现非线性增长，表明放大器已达到ＳＢＳ阔值功率。逡逑ｆ＂Ｍｏｄ。扣ｏｒ邋＂Ｓｔａｇ。２＂？ｓｔａ扣邋３＊＊Ｓｔａｇ。ｊ逡逑Ｊ邋Ｏｐｔｉｃａｌ邋ＩｓｏｉａｔｏＴ逦１逡逑\。海桑钊簦唬觯ⅲⅲ海荆恚蓿睿疱危垮义希玻叮牵瑁危危苠义希校瑁铮簦悖耍剩
本文编号：2546271
【图文】：
高速相位调制的方法展宽单频种子源的光谱，有效降低光谱的功率密度，提离ＳＢＳ效应逡逑的阔值。逡逑２０１１年，Ｆ化ｅｒｔｅｋ公司搭建了空间z1合结构的多级光纤激光放大器（如图１．３所示），逡逑通过相位调制的方法将种子源展宽至化４５ＧＨｚ。主放大级采用３５叫Ｔ＞化纤最终实现了逡逑化Ｗ近衍射极限输出（Ｍ２＜１．４），，量子效率８３％１３１１。最NB功率输山时，在凹光光谱中可逡逑观测到ＳＢＳ，说明该放大器己达到ＳＢＳ阀值条件。国１．４ａ）为放大器输出功率随累浦功逡逑率的变化曲线，整个放大过程激光器保持着８５％的光光效率：图１．４ｂ）为高分辨率光谱逡逑测试结果，经过调制后，种子源的线宽由单频展宽至化４５ＧＨｚ；图１．４ｃ）为分辨率为２ｎｍ逡逑时的ＩｋＷ前向输出光谱，图Ｌ４ｄ）为分辨率为Ｏ．Ｏｌｎｍ时的ＩｋＷ前向和反向的光谱对逡逑比，此时在回光中己经可Ｗ分辨出ＳＢＳ。逡逑３逡逑
图１．４邋ｋＷ级窄线宽放大器功率和光谱输出参灥２ｉ］逡逑２０１４年，采用２５＾１１１１的非保偏惨德光纤作为主放光纤，Ｎｕｆｅｒｎ公司搭建了四级放大逡逑的Ｍ０ＰＡ结构窄线宽激光放大器，如图１．５所示。采用ＰＲＢＳ相位调制的方法，通过优逡逑化调制参数，全光纤激光器ＳＢＳ阔值得到显著提升。最终激光器实现了邋ＬＨｋＷ邋３ＧＨｚ逡逑线宽输出，光光效率８３％，信号光信噪比５０ｄＢ，Ｍ２＝１．２Ｐ２１，如图１．６所示。放大器中逡逑的回光己出现非线性增长，表明放大器已达到ＳＢＳ阔值功率。逡逑ｆ＂Ｍｏｄ。扣ｏｒ邋＂Ｓｔａｇ。２＂？ｓｔａ扣邋３＊＊Ｓｔａｇ。ｊ逡逑Ｊ邋Ｏｐｔｉｃａｌ邋ＩｓｏｉａｔｏＴ逦１逡逑\。海桑钊簦唬觯ⅲⅲ海荆恚蓿睿疱危垮义希玻叮牵瑁危危苠义希校瑁铮簦悖耍剩
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