高功率光纖激光器特性分析及應(yīng)用研究.pdf

1、本文工作是在國(guó)家973項(xiàng)目《角錐光纖激光器相干合成研究》、《光纖激光器特性分析》、國(guó)家自然科學(xué)基金《寬帶摻鐿光纖放大器噪聲特性研究》等項(xiàng)目的支持下開(kāi)展的。 高功率激光器是現(xiàn)代激光光學(xué)中的一個(gè)重要研究方向。作為固體激光器的一種特殊形式，光纖激光器以其結(jié)構(gòu)緊湊、轉(zhuǎn)換效率高、光束質(zhì)量好等優(yōu)點(diǎn)成為一類十分有前景的激光光源，在醫(yī)學(xué)、通訊、雷達(dá)、傳感、工業(yè)加工、以及科研領(lǐng)域都有著廣泛的應(yīng)用。因光纖結(jié)構(gòu)的特殊優(yōu)勢(shì)，高功率光纖激光器作為光纖激光

2、器的主要發(fā)展方向之一受到特別重視。在高功率光纖激光器中，進(jìn)一步提升功率的主要限制是熱效應(yīng)以及光纖中較強(qiáng)的非線性效應(yīng)。為了在提高輸出功率的同時(shí)避免這些問(wèn)題，一般可以從兩個(gè)方面入手：一是改進(jìn)單個(gè)激光腔的結(jié)構(gòu)，適當(dāng)增加光纖中的模場(chǎng)面積來(lái)減小非線性的影響；二是使用多個(gè)光纖激光器合成輸出。本文內(nèi)容即圍繞這兩個(gè)當(dāng)前的主要發(fā)展方向展開(kāi)論述。 文中詳細(xì)分析了新型的大模場(chǎng)瓣?duì)钗⒔Y(jié)構(gòu)光纖應(yīng)用于高功率放大器及激光器時(shí)的特性，給出了相應(yīng)的優(yōu)化方向；對(duì)于

3、激光器輸出合成的方案，文中以相干合成方案為主分析了合成光束的性質(zhì)，并探討了全光纖化相干合束裝置的可行性。 本論文的研究工作及主要成果有： 1.利用簡(jiǎn)化二能級(jí)結(jié)構(gòu)的速率方程和有限元方法，建立摻鐿大模場(chǎng)瓣?duì)钗⒔Y(jié)構(gòu)光纖作為穩(wěn)態(tài)高功率放大器時(shí)的計(jì)算模型，系統(tǒng)地研究了這種放大器的特性。重點(diǎn)研究了瓣?duì)罟饫w的結(jié)構(gòu)參數(shù)對(duì)放大倍數(shù)和噪聲特性的影響。模擬計(jì)算顯示：對(duì)于依靠泄漏損耗實(shí)現(xiàn)單模運(yùn)轉(zhuǎn)的瓣?duì)罟饫w放大器，需要選擇合適的結(jié)構(gòu)參數(shù)，以實(shí)現(xiàn)放

4、大率、噪聲指數(shù)、以及單模性能等的優(yōu)化，同時(shí)也給出了放大器的性能優(yōu)化參數(shù)； 2.在摻鐿瓣?duì)罟饫w放大器數(shù)值模型的基礎(chǔ)上，建立摻鐿大模場(chǎng)光纖激光器模型。計(jì)算了不同結(jié)構(gòu)的摻鐿大模場(chǎng)瓣?duì)罟饫w激光器的閾值、效率、信噪比，并分析相應(yīng)的激光腔優(yōu)化參數(shù)。分析結(jié)論為：瓣?duì)罟饫w激光器的效率、單模性能比同樣結(jié)構(gòu)參數(shù)的瓣?duì)罟饫w放大器為優(yōu)，且其諧振腔參數(shù)的選擇范圍也較寬，選擇合適的參數(shù)可使其達(dá)到近量子極限的效率； 3.基于Fraunhofer標(biāo)量衍

5、射理論計(jì)算了六角形排列的空間面陣相干合束的遠(yuǎn)場(chǎng)光斑特性。對(duì)于理想相干合束的情況，詳細(xì)計(jì)算了合成光束特性隨單元激光器參數(shù)變化的趨勢(shì)，指出盡量減小單元激光器排列間距是提高合成光束能量集中度的有效途徑；對(duì)于非理想相干合束的情況，計(jì)算了單元激光器的各種參數(shù)偏離理想位置時(shí)，其光束的主峰效率隨之變化的規(guī)律，指出實(shí)際的合束裝置中最應(yīng)注意的是單元激光器間的固定相位差，應(yīng)使其盡量接近于零方可得到較高的合成效率； 4.利用空間陣列式相干合束的干涉本

6、質(zhì)，探討了使用非全同單元激光器構(gòu)成的空間陣列式相干合束輸出特殊形狀光束的應(yīng)用，并以相控掃描和平頂光束的輸出為例初步討論了其輸出的效果； 5.基于光纖激光器中的注入鎖定現(xiàn)象，對(duì)共腔式全光纖相干合束方案作了一定改進(jìn)。設(shè)計(jì)了2路注入鎖定共腔相干合束實(shí)驗(yàn)，通過(guò)外加窄線寬的DFB光纖激光器的注入鎖定，使共腔式相干合束方案原本紊亂的光譜得到了穩(wěn)定；設(shè)計(jì)了2路注入鎖定環(huán)形腔放大方案，通過(guò)將MOPA結(jié)構(gòu)中的放大器改為環(huán)形腔激光器，使兩路輸出的相

7、干度得到大幅提高。這些思想對(duì)于設(shè)計(jì)窄線寬、穩(wěn)定性好、自適應(yīng)性強(qiáng)的全光纖相干合束裝置有一定的參考意義。 本文的主要?jiǎng)?chuàng)新點(diǎn)： 1.分析了新型摻鐿大模場(chǎng)瓣?duì)罟饫w用作光纖激光器時(shí)的特點(diǎn)，指出其與瓣?duì)罟饫w放大器的異同；指出瓣?duì)罟饫w獨(dú)特的單模運(yùn)轉(zhuǎn)方式對(duì)放大器和激光器的性能參數(shù)有較大影響，并給出了相應(yīng)優(yōu)化參數(shù)； 2.分析了空間陣列式相干合束的單元激光器排列方式對(duì)合成光束特性的影響，指出空間陣列式相干合束的輸出光束的能量聚集程度

8、可以達(dá)到單個(gè)單元激光器的水平；指出在激光雷達(dá)等注重主峰效率的應(yīng)用中，單元激光器間的固定相位差是影響主峰效率和斯特列爾比的主要因素；提出并分析了用空間陣列式相干合束裝置進(jìn)行相控掃描和輸出平頂光束的可能性； 3.利用注入鎖定的方法對(duì)共腔相干合束方案的缺點(diǎn)進(jìn)行了改進(jìn)：使用光纖DFB激光器的注入鎖定，穩(wěn)定了共腔相干合束裝置的光譜；使用環(huán)形腔代替MOPA結(jié)構(gòu)中的放大器，增加了輸出光束之間的相干度；其思想對(duì)于進(jìn)一步制作性能優(yōu)良的全光纖相干合