高功率光纤激光器关键器件及其系统技术研究

论文摘要

高功率光纤激光器具有光束质量好、转换效率高、结构紧凑以及热管理方便等优点,在激光加工、激光医疗、激光通信和军事防御等领域得到广泛应用。但是受到高功率光纤器件、非线性效应以及系统技术的制约,光纤激光器难以达到较高的功率水平。本论文围绕高功率光纤耦合器、四波混频与受激拉曼散射效应、以及高功率光纤激光系统技术开展了理论和实验研究工作。本论文的主要研究成果及创新点如下:（1）基于速率方程理论研究了泵浦波长、增益光纤长度和Yb3+掺杂浓度等因素对高功率光纤激光器输出功率的影响,并利用自研Yb/Ce共掺光纤和高功率光纤耦合器研制了高功率光纤激光器,实现4620W激光输出,光光转换效率为80.3%,光束质量因子为1.67。（2）基于光束传输法研究了泵浦光、信号激光在锥形光纤波导中的传输特性,分析了光纤束切割角度、端面质量以及纤芯对准误差等因素对光纤耦合器输出功率的影响,优化了高功率光纤耦合器的结构参数,研制出单臂承载功率大于800W、泵浦耦合效率为94.83%的高功率光纤耦合器,且泵浦尾纤对信号激光的衰减达到20dB以上。（3）理论和实验研究了高功率光纤激光器中的非线性效应。当不同激光满足相位匹配条件时分别在1060nm和1100nm处出现模间四波混频效应;随着激光功率的增加,在1130nm附近出现受激拉曼散射效应。分析了光纤激光器中产生高阶模式激光的主要来源,通过减少掺镱光纤盘绕圈径的方法将四波混频效应阈值提升至3.1kW以上;分析了增益光纤长度、纤芯直径和泵浦波长等因素对受激拉曼散射效应的影响,通过优化光纤激光器中掺镱光纤参数的方法将受激拉曼散射效应阈值提升到3.4kW以上。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第1章 绪论
•   1.1 高功率光纤激光器研究现状
•   1.2 高功率光纤激光器面临的问题
•     1.2.1 高功率光纤耦合器
•     1.2.2 高功率条件下的非线性效应
•     1.2.3 高功率光纤激光器系统技术
•   1.3 论文主要内容
• 第2章 高功率光纤耦合器研究
•   2.1 光束传输法
•   2.2 高功率光纤耦合器结构设计
•   2.3 高功率光纤耦合器制备
•     2.3.1 光纤束拉锥工艺
•     2.3.2 光纤束切割工艺
•     2.3.3 光纤束端面处理研究
•     2.3.4 光纤束与传输光纤熔接
•   2.4 高功率光纤耦合器性能表征与测试
•     2.4.1 泵浦光耦合测试
•     2.4.2 信号激光损耗测试
•     2.4.3 信号激光反向衰减测试
•   2.5 总结
• 第3章 高功率光纤激光器中非线性效应研究
•   3.1 光纤激光器中的非线性效应
•     3.1.1 模间四波混频效应
•     3.1.2 受激拉曼散射效应
•   3.2 模间四波混频效应研究
•     3.2.1 模间四波混频效应数值分析
•     3.2.2 模间四波混频效应的实验研究
•     3.2.3 模间四波混频效应的抑制方法研究
•   3.3 受激拉曼散射效应研究
•     3.3.1 受激拉曼散射理论模型建立
•     3.3.2 受激拉曼散射效应数值分析
•     3.3.3 受激拉曼散射效应的实验研究
•     3.3.4 受激拉曼散射效应的抑制方法研究
•   3.4 小结
• 第4章 基于MOPA结构的高功率光纤激光器研究
•   4.1 高功率光纤放大器机理研究
• 3+能级结构和光谱特性'>    4.1.1 Yb³⁺能级结构和光谱特性
•     4.1.2 高功率光纤放大器速率方程
•     4.1.3 高功率光纤放大器性能分析
•   4.2 关键器件研制
•     4.2.1 高功率窄线宽半导体激光器研制
•     4.2.2 Yb/Ce共掺光纤制备
•     4.2.3 包层模式滤除器研制
•     4.2.4 大功率光纤端帽研制
•   4.3 正向泵浦光纤放大器研究
•     4.3.1 正向泵浦实验装置
•     4.3.2 种子光源测试
•     4.3.3 4620 W光纤激光输出
•   4.4 双端泵浦光纤放大器探索研究
•     4.4.1 双端泵浦实验装置
•     4.4.2 种子光源损耗研究
•     4.4.3 正向泵浦测试
•     4.4.4 反向泵浦测试
•     4.4.5 双端泵浦测试
•   4.5 小结
• 第5章 结论和展望
•   5.1 主要工作及成果
•   5.2 论文存在的不足及后续工作展望
• 参考文献
• 附录 A 缩略词
• 附录 B 插图索引
• 致谢
• 作者简历及攻读学位期间发表的学术论文与研究成果

文章来源

类型: 博士论文

作者: 郑锦坤

导师: 赵卫,赵保银

关键词: 高功率光纤激光器,高功率光纤耦合器,模间四波混频效应,受激拉曼散射效应,共掺光纤

来源: 中国科学院大学(中国科学院西安光学精密机械研究所)

年度: 2019

分类: 基础科学,信息科技

专业: 物理学,无线电电子学

单位: 中国科学院大学(中国科学院西安光学精密机械研究所)

分类号: TN248

DOI: 10.27605/d.cnki.gkxgs.2019.000077

总页数: 122

文件大小: 8357K

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