论文摘要
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模反射峰匹配,其他模式反射峰失配的高反和低反光纤布拉格光栅,用来作为光纤振荡器的谐振腔。首次采用包层泵浦的方式实现LP11模光纤振荡器运转,LP11模最大输出功率为4.2 W,相对于注入泵浦光的斜效率为～38%,模式纯度为～90.2%,表明了包层泵浦条件下利用全光纤振荡器结构实现高功率LP11模的输出可行性。利用LP01模和LP11模反射峰同时匹配的高反和低反光纤布拉格光栅,首次实现全光纤振荡器结构双波长混合模式输出。3、开展了基于长周期光纤光栅模式转换的高阶模光纤激光放大研究。设计并刻制了LP01-LP11模长周期光纤光栅模式转换器,用来产生高纯度LP11模作为种子光。采用同带泵浦方案,实现了全光纤结构的LP11模放大器运转,LP11模的最大输出功率为69.1 W,相对于吸收泵浦光的斜效率为73.8%。通过实验验证了LP01模和LP11模在放大过程中具有几乎相同的定标放大能力。进一步搭建了半导体泵浦的kW量级LP11模MOPA放大实验平台,首次实现了最高输出功率为1270 W的LP11模输出。4、开展了高阶模光纤激光输出光场的相位整形研究。理论仿真了LP11模和CLP11(相位补偿LP11模)近场和远场光斑光强分布特性,首次利用PIB值对远场LP11模和CLP11模的能量集中度进行了对比。然后实验验证了经过相位补偿后的LP11模输出光场呈近高斯分布,聚光能力显著提高。5、开展了高阶模光纤激光输出光场的非相干叠加研究。系统设计了全光纤结构LP11模环形光束和LP01模高斯光束非相干叠加产生平顶光束的实验方案。首次通过串联全光纤结构LP11模振荡器和全光纤结构LP01模振荡器方式,实现平顶度最小为C=0.0343的平顶光束输出。6、首次提出遗传-并行梯度（GA-SPGD）全局优化算法用于数值模式分解。利用GA算法对采集到的近场和远场光斑进行全局优化搜索,得到一个最接近全局最优的模式组合。在此基础上,利用SPGD算法快速收敛的特性,对近场光斑进行优化搜索得到理论上的全局最优值。GA-SPGD算法结合了GA算法全局优化搜索优势和SPGD算法快速收敛特性。通过仿真计算的方式验证了基于GA-SPGD算法的数值模式分解的有效性和鲁棒性。7、首次对多模阶跃折射率光纤中模间交叉相位调制导致的调制不稳定性现象开展研究。利用线性稳定性分析方法推导了模间调制不稳定性的增益谱表达式,得到正常色散区发生调制不稳定性现象的判断条件。当注入模式功率相同时,调制不稳定性增益谱最大增益处的调制频率和总功率的平方根成正比,最大增益系数和总功率成正比。当注入模式功率不相同时,存在最佳功率比例系数,使得调制不稳定性获得最大增益,并且最佳功率比例系数基本不随总注入功率的变化而改变。模间群速度失配会增大调制不稳定性增益谱的中心调制频率和最大增益系数。
论文目录
文章来源
类型: 博士论文
作者: 李磊
导师: 陈金宝,冷进勇
关键词: 大功率光纤激光,模式调控,光纤布拉格光栅,长周期光纤光栅,空间整形,平顶光束,模式分解,调制不稳定性
来源: 国防科技大学
年度: 2019
分类: 基础科学,信息科技
专业: 物理学,物理学,无线电电子学,无线电电子学
单位: 国防科技大学
分类号: TN253;TN248
DOI: 10.27052/d.cnki.gzjgu.2019.000057
总页数: 117
文件大小: 10187k
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标签：大功率光纤激光论文; 模式调控论文; 光纤布拉格光栅论文; 长周期光纤光栅论文; 空间整形论文; 平顶光束论文; 模式分解论文; 调制不稳定性论文;