光纤激光模式调控技术研究
发布时间：2021-06-20 18:03
光纤激光具有结构紧凑、输出光束质量好、热管理方便等优势,在光纤通信、遥感测绘、生物医疗和工业加工等领域发挥着重要作用。为了保持大功率光纤激光的近衍射极限输出,通常需要采取模式控制技术抑制高阶模的产生。但在特殊应用领域,例如,模分复用技术、结构光场产生、以及多模光纤非线性的时空调控等,产生高阶模光纤激光尤为重要。论文对光纤激光模式调控技术开展研究,主要工作包括:1、开展了阶跃折射率光纤模式特性和光纤光栅理论研究。首先,从亥姆霍兹方程出发,推导了阶跃折射率光纤矢量模和弱导近似条件下LP模的理论表达式,重点讨论了阶跃折射率光纤LP模式的传输特性。然后利用耦合模理论,建立了光纤布拉格光栅和长周期光纤光栅的仿真模型,讨论了最大折射率调制系数和光栅长度对于输出光谱的影响。结果表明,仅改变最大折射率调制系数或光纤光栅的长度,不会改变光纤布拉格光栅上各模式对应的反射谱中心波长,以及长周期光纤光栅模式转换透过谱的中心波长,为下一步利用光纤布拉格光栅实现选模输出和利用长周期光纤光栅实现模式转换奠定理论基础。2、开展了基于光纤光栅选模输出的光纤振荡器研究。设计并刻制了LP11模反射峰匹...
【文章来源】：国防科技大学湖南省 211工程院校 985工程院校
【文章页数】：117 页
【学位级别】：博士
【部分图文】：
图1.1双包层光纤结构及包层泵浦方式[5]
国防科技大学研究生院博士学位论文第2页图1.1双包层光纤结构及包层泵浦方式[5]1999年，Dominic等采用包层泵浦方式首次实现110W单模连续掺镱光纤激光输出[28]。2004年，Jeong等将光纤激光的输出功率首次突破1.01kW，但输出光束质量M2因子仅为3.4，即输出光纤激光中含有大量的高阶模成分[29]。同年，Jeong等采用低数值孔径增益光纤(NA<0.05)，通过增加弯曲损耗方式，实现近衍射极限(M2=1.4)的1.36kW连续激光输出[30]。2009年，IPG公司采用同带泵浦方式首次实现10kW量级近衍射极限光纤激光输出[31]。2012年，IPG公司首次将近衍射极限光纤激光输出功率提升至20kW[32]。图1.2给出了近些年来包层泵浦掺镱光纤激光输出功率随时间的变化图[4]，其中MM表示多模光纤激光输出功率，SM-DP表示半导体泵浦单模输出功率，SM-TP表示同带泵浦单模输出功率，CBC表示相干合成输出功率。图1.2包层泵浦掺镱光纤激光输出功率随时间的变化图[4]近年来，国内中国科学院上海光学精密机械研究所[33]、中国科学院西安光学精密机械研究所[34]、天津大学[35,36]、清华大学[37,38]、国防科技大学[39-42]和中国工程物理研究院[43,44]等单位相继实现kW量级连续光纤激光输出。2016年，国防科技大学在国内首次实现同带泵浦10kW量级光纤激光输出[45]。2018年，中国工程物理研究院在国内首次报道半导体泵浦10kW量级光纤激光输出[46]。由于光纤纤芯尺寸小，大输出功率条件下带来极高的功率密度，容易产生非
国防科技大学研究生院博士学位论文第3页线性效应，即提升光纤激光的输出功率，需要克服光纤非线性效应的制约。对于大功率宽谱连续光纤激光，主要受光学损坏、受激拉曼效应和热透镜效应等非线性效应制约，以及泵浦亮度的限制[47,48]。2008年，Dawson等在考虑上述限制因素的条件下，理论计算了半导体泵浦光纤激光器输出的极限功率[47]，如图1.3所示，预测半导体泵浦光纤激光器的极限输出功率为36.6kW。图1.3半导体泵浦光纤激光器极限功率等高线图[47]随着研究的深入，2010年，Wirth等报道了大模场光纤中热效应导致的横模模式不稳定效应(TransverseModeInstbaility,TMI)[49]。TMI发生的过程中，光纤中的基模和高阶模由于热致长周期光栅效应产生kHz量级动态能量耦合，使得输出激光的光束质量急剧退化。2013年，Jauregui等指出TMI效应是现阶段限制大功率光纤激光近衍射极限输出的主要因素[5]。2017年，Zervas等综合考虑泵浦亮度、受激拉曼效应和TMI效应条件下，理论计算了半导体泵浦光纤激光器输出的极限功率[50]，如图1.4所示，预测半导体泵浦光纤激光器的极限输出功率为27.8kW。图1.4考虑TMI效应后半导体泵浦光纤激光器极限功率等高线图[50]1.1.2大功率光纤激光的模式控制技术
【参考文献】：
期刊论文
[1]Intermodal group-velocity engineering for broadband nonlinear optics[J]. JEFF DEMAS,LARS RISH?J,XIAO LIU,GAUTAM PRABHAKAR,SIDDHARTH RAMACHANDRAN. Photonics Research. 2019(01)
[2]高平均功率光纤激光技术基础:模式[J]. 周朴. 强激光与粒子束. 2018(06)
[3]国产复合功能光纤实现万瓦激光输出[J]. 林傲祥,湛欢,彭昆,王小龙,倪力,王瑜英,李雨薇,刘爽,孙仕豪,姜佳丽,唐选,刘玙,姜蕾,俞娟,王建军,景峰. 强激光与粒子束. 2018(06)
[4]Fiber laser for on-demand mode generation in 1550 nm band[J]. CHENGHUI TIAN,SONG YU,SHANYONG CAI,MINGYING LAN,WANYI GU. Photonics Research. 2017(03)
[5]Advances in communications using optical vortices[J]. Jian Wang. Photonics Research. 2016(05)
[6]Conversion of out-of-phase to in-phase order in coupled laser arrays with second harmonics[J]. Chene Tradonsky,Micha Nixon,Eitan Ronen,Vishwa Pal,Ronen Chriki,Asher A.Friesem,Nir Davidson. Photonics Research. 2015(03)
[7]2.14kW级联泵浦光纤放大器[J]. 肖虎,冷进勇,张汉伟,黄良金,郭少锋,周朴,陈金宝. 强激光与粒子束. 2015(01)
[8]全光纤结构2kW准单模光纤激光器[J]. 刘泽金,冷进勇,郭少锋,王文亮,黄良金,曹涧秋,司磊,许晓军,陈金宝. 中国激光. 2013(09)
[9]双包层光纤光学放电现象的建模仿真分析[J]. 张汉伟,周朴,王小林,肖虎,许晓军. 光学学报. 2013(07)
[10]1.6kW全光纤掺镱激光器[J]. 闫平,肖起榕,付晨,王亚平,巩马理. 中国激光. 2012(04)
博士论文
[1]光纤激光目标在回路相干合成技术研究[D]. 支冬.国防科技大学 2018
[2]大功率光纤激光器的模式分解及模式控制[D]. 黄良金.国防科学技术大学 2016
本文编号：3239673
【文章来源】：国防科技大学湖南省 211工程院校 985工程院校
【文章页数】：117 页
【学位级别】：博士
【部分图文】：
图1.1双包层光纤结构及包层泵浦方式[5]
国防科技大学研究生院博士学位论文第2页图1.1双包层光纤结构及包层泵浦方式[5]1999年，Dominic等采用包层泵浦方式首次实现110W单模连续掺镱光纤激光输出[28]。2004年，Jeong等将光纤激光的输出功率首次突破1.01kW，但输出光束质量M2因子仅为3.4，即输出光纤激光中含有大量的高阶模成分[29]。同年，Jeong等采用低数值孔径增益光纤(NA<0.05)，通过增加弯曲损耗方式，实现近衍射极限(M2=1.4)的1.36kW连续激光输出[30]。2009年，IPG公司采用同带泵浦方式首次实现10kW量级近衍射极限光纤激光输出[31]。2012年，IPG公司首次将近衍射极限光纤激光输出功率提升至20kW[32]。图1.2给出了近些年来包层泵浦掺镱光纤激光输出功率随时间的变化图[4]，其中MM表示多模光纤激光输出功率，SM-DP表示半导体泵浦单模输出功率，SM-TP表示同带泵浦单模输出功率，CBC表示相干合成输出功率。图1.2包层泵浦掺镱光纤激光输出功率随时间的变化图[4]近年来，国内中国科学院上海光学精密机械研究所[33]、中国科学院西安光学精密机械研究所[34]、天津大学[35,36]、清华大学[37,38]、国防科技大学[39-42]和中国工程物理研究院[43,44]等单位相继实现kW量级连续光纤激光输出。2016年，国防科技大学在国内首次实现同带泵浦10kW量级光纤激光输出[45]。2018年，中国工程物理研究院在国内首次报道半导体泵浦10kW量级光纤激光输出[46]。由于光纤纤芯尺寸小，大输出功率条件下带来极高的功率密度，容易产生非
国防科技大学研究生院博士学位论文第3页线性效应，即提升光纤激光的输出功率，需要克服光纤非线性效应的制约。对于大功率宽谱连续光纤激光，主要受光学损坏、受激拉曼效应和热透镜效应等非线性效应制约，以及泵浦亮度的限制[47,48]。2008年，Dawson等在考虑上述限制因素的条件下，理论计算了半导体泵浦光纤激光器输出的极限功率[47]，如图1.3所示，预测半导体泵浦光纤激光器的极限输出功率为36.6kW。图1.3半导体泵浦光纤激光器极限功率等高线图[47]随着研究的深入，2010年，Wirth等报道了大模场光纤中热效应导致的横模模式不稳定效应(TransverseModeInstbaility,TMI)[49]。TMI发生的过程中，光纤中的基模和高阶模由于热致长周期光栅效应产生kHz量级动态能量耦合，使得输出激光的光束质量急剧退化。2013年，Jauregui等指出TMI效应是现阶段限制大功率光纤激光近衍射极限输出的主要因素[5]。2017年，Zervas等综合考虑泵浦亮度、受激拉曼效应和TMI效应条件下，理论计算了半导体泵浦光纤激光器输出的极限功率[50]，如图1.4所示，预测半导体泵浦光纤激光器的极限输出功率为27.8kW。图1.4考虑TMI效应后半导体泵浦光纤激光器极限功率等高线图[50]1.1.2大功率光纤激光的模式控制技术
【参考文献】：
期刊论文
[1]Intermodal group-velocity engineering for broadband nonlinear optics[J]. JEFF DEMAS,LARS RISH?J,XIAO LIU,GAUTAM PRABHAKAR,SIDDHARTH RAMACHANDRAN. Photonics Research. 2019(01)
[2]高平均功率光纤激光技术基础:模式[J]. 周朴. 强激光与粒子束. 2018(06)
[3]国产复合功能光纤实现万瓦激光输出[J]. 林傲祥,湛欢,彭昆,王小龙,倪力,王瑜英,李雨薇,刘爽,孙仕豪,姜佳丽,唐选,刘玙,姜蕾,俞娟,王建军,景峰. 强激光与粒子束. 2018(06)
[4]Fiber laser for on-demand mode generation in 1550 nm band[J]. CHENGHUI TIAN,SONG YU,SHANYONG CAI,MINGYING LAN,WANYI GU. Photonics Research. 2017(03)
[5]Advances in communications using optical vortices[J]. Jian Wang. Photonics Research. 2016(05)
[6]Conversion of out-of-phase to in-phase order in coupled laser arrays with second harmonics[J]. Chene Tradonsky,Micha Nixon,Eitan Ronen,Vishwa Pal,Ronen Chriki,Asher A.Friesem,Nir Davidson. Photonics Research. 2015(03)
[7]2.14kW级联泵浦光纤放大器[J]. 肖虎,冷进勇,张汉伟,黄良金,郭少锋,周朴,陈金宝. 强激光与粒子束. 2015(01)
[8]全光纤结构2kW准单模光纤激光器[J]. 刘泽金,冷进勇,郭少锋,王文亮,黄良金,曹涧秋,司磊,许晓军,陈金宝. 中国激光. 2013(09)
[9]双包层光纤光学放电现象的建模仿真分析[J]. 张汉伟,周朴,王小林,肖虎,许晓军. 光学学报. 2013(07)
[10]1.6kW全光纤掺镱激光器[J]. 闫平,肖起榕,付晨,王亚平,巩马理. 中国激光. 2012(04)
博士论文
[1]光纤激光目标在回路相干合成技术研究[D]. 支冬.国防科技大学 2018
[2]大功率光纤激光器的模式分解及模式控制[D]. 黄良金.国防科学技术大学 2016
本文编号：3239673
本文链接：https://www.wllwen.com/shoufeilunwen/xxkjbs/3239673.html
