摻鐿雙包層光纖放大器和激光束相干合成的基礎(chǔ)研究.pdf

1、高功率、高光束質(zhì)量輸出的激光系統(tǒng)在科學(xué)研究、工業(yè)生產(chǎn)和軍事裝備等諸多領(lǐng)域中具有重大應(yīng)用價(jià)值，自從激光器誕生之日起就成為人們追求的目標(biāo)；近幾年激光束的相干合成技術(shù)(或相干組束技術(shù))成為實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)的重要手段并成為人們研究的熱點(diǎn)。本文將激光束相干合成技術(shù)和雙包層光纖的包層泵浦技術(shù)相結(jié)合，進(jìn)行了采用摻鐿雙包層光纖作為增益介質(zhì)的激光束相干合成的基礎(chǔ)研究，得出了一系列結(jié)果，為進(jìn)一步的工作打下了重要的基礎(chǔ)。 本論文研究的內(nèi)容及創(chuàng)新點(diǎn)主要包括

2、以下幾個(gè)方面： 1．首先對(duì)激光束相干合成的歷史和發(fā)展現(xiàn)狀做了一個(gè)綜述，介紹了國(guó)內(nèi)外這一領(lǐng)域研究的最新進(jìn)展。接著我們介紹和討論了相干合成技術(shù)的主要分類(lèi)和它們各自實(shí)現(xiàn)相干輸出的原理和主要特點(diǎn)。然后我們介紹了雙包層光纖中的包層泵浦技術(shù)，并指出摻鐿雙包層光纖激光器具有的如結(jié)構(gòu)緊湊易組束、模式質(zhì)量好等特點(diǎn)使它在進(jìn)行激光束相干合成的研究和應(yīng)用中具有不可替代的優(yōu)勢(shì)。這正是本論文的立意所在。 2．基于D．C．Jones等提出的考慮放大的

3、自發(fā)輻射的雙包層摻鐿光纖放大器的模型，推導(dǎo)了放大器的信號(hào)光、泵浦光、自發(fā)輻射的速率方程和上能級(jí)粒子數(shù)密度在穩(wěn)態(tài)條件下的解；然后我們從以上的速率方程組出發(fā)，模擬了放大器結(jié)構(gòu)參數(shù)對(duì)激光輸出特性的影響。給出了光纖放大器中泵光、放大的信號(hào)光以及前、后向放大的自發(fā)輻射沿光纖長(zhǎng)度方向的分布，放大的信號(hào)光和泵光之間的關(guān)系，以及放大器輸出光的光譜圖和ASE抑制光譜圖。 3．基于Corcoran等提出的自傅立葉腔實(shí)現(xiàn)激光束相干合成的方案，我們選取

4、了實(shí)驗(yàn)室使用的一種摻鐿雙包層光纖的結(jié)構(gòu)參數(shù)、工作波長(zhǎng)設(shè)計(jì)了一維自傅立葉腔，并模擬了自傅立葉腔輸入面上各光纖激光器的振幅分布。 4．研究了大模面積摻鐿雙包層光纖放大器。對(duì)于我們所采用的后向泵浦方式，無(wú)論是否有信號(hào)光，均存在前向泵光功率向后向放大的自發(fā)輻射或放大的信號(hào)光的能量轉(zhuǎn)移，要想獲得較大的放大器輸出功率宜采用后向泵浦的方式。信號(hào)光的加入使放大的自發(fā)輻射受到一定程度的抑制，使整個(gè)系統(tǒng)的光光轉(zhuǎn)換效率提高。并聯(lián)主振蕩功率放大實(shí)現(xiàn)相干

5、合成的方案的相干性要求各路放大器輸出激光的線寬盡量窄，但高功率輸出條件下窄線寬的激光輸出容易受光纖中非線性效應(yīng)的影響，綜合考慮這兩種因素，我們研制的摻鐿雙包層放大器其輸出光既保持了信號(hào)光的優(yōu)良光譜特性，又可以有效壓制受激布里淵散射。放大器輸出激光的線寬約為0.027nm，對(duì)應(yīng)相干長(zhǎng)度約為4cm，對(duì)于相干性的操作長(zhǎng)度已經(jīng)足夠；輸出激光線寬對(duì)應(yīng)的頻譜寬度為7.2GHz，足可以壓制受激布里淵散射(約100MHz帶寬)。 5.研究了Er

6、<'3+>/Yb<'3+>共摻雙包層光纖放大器的偏振特性。以橢圓長(zhǎng)軸方位角和偏振度這對(duì)參量來(lái)表征光的偏振態(tài)，對(duì)雙包層光纖放大器的偏振態(tài)的演化及其穩(wěn)定性進(jìn)行了研究。要想使雙包層光纖放大器輸出的光具有良好的偏振特性一偏振度高且偏振態(tài)穩(wěn)定，就必須在控制光路中加入起偏器以確保其高的偏振度，配合使用偏振控制器就可以保證高的偏振度和偏振方向的可控性。如果能在信號(hào)源光纖回路中使用保偏光纖和在放大增益階段采用雙包層保偏光纖，則會(huì)使整個(gè)放大器系統(tǒng)輸出光的

7、偏振態(tài)的穩(wěn)定性進(jìn)一步提高。對(duì)于連續(xù)波操作條件和鎖模脈沖操作條件都有上述結(jié)論，不同的是鎖模脈沖工作模式下，光的偏振度整體下降，但偏振態(tài)的穩(wěn)定性卻有所提高。 6.將改進(jìn)的邁克爾遜激光腔實(shí)現(xiàn)相干合成的方案和包層泵浦技術(shù)相結(jié)合，并提出在邁克爾遜腔的一臂上增加延時(shí)結(jié)構(gòu)以方便臂長(zhǎng)差的優(yōu)化，在摻鐿雙包層激光器中實(shí)現(xiàn)了激光束的部分相干合成。經(jīng)過(guò)初步的實(shí)驗(yàn)，我們得出：如果增益光纖的長(zhǎng)度有較大差別以致光譜增益區(qū)間沒(méi)有重疊時(shí)，是不可能實(shí)現(xiàn)相干合成的；

8、使用對(duì)激光較低反射率的輸出境會(huì)提高激光系統(tǒng)的輸出功率，但如果反射率太低則不能提供足夠的反饋使邁克爾遜腔結(jié)構(gòu)的兩路同時(shí)起振，選擇腔鏡要權(quán)衡這兩個(gè)因素；我們使用偏振態(tài)、光譜和功率增量比幾種手段來(lái)描述合成光的相干程度并相互印證，證明在我們的實(shí)驗(yàn)中采用改進(jìn)的邁克爾遜激光腔結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)了兩路摻鐿雙包層激光器的部分相干合成，不過(guò)合成效率較低；在高功率工作條件下合成光的相干性下降。結(jié)合理論部分對(duì)邁克爾遜激光腔實(shí)現(xiàn)相干合成的限制的簡(jiǎn)單估計(jì)可知，雖然這種相干

9、合成的方法具有高的相干合成效率，但不適用于大陣列激光器的相干合成和高功率的操作條件。 7.研究了多波長(zhǎng)可轉(zhuǎn)換摻鐿雙包層光纖激光器。我們?cè)趽借O雙包層光纖上利用相位掩模法直接刻寫(xiě)B(tài)ragg多模光柵實(shí)現(xiàn)了多波長(zhǎng)可轉(zhuǎn)換輸出的實(shí)驗(yàn)結(jié)果，分別得到單波長(zhǎng)(1060.8 nm)、雙波長(zhǎng)(1060.6 nm、1061 nm)、三波長(zhǎng)(1059.2 nm、1060.4 nm、1061 nm)、四波長(zhǎng)(1060.7 nm、1061 nm、1061.2