大功率光纖激光器受激拉曼散射研究.pdf

1、隨著單鏈路連續(xù)寬譜光纖激光器輸出功率的不斷提升，受激拉曼散射效應(yīng)（SRS）成為限制其功率提升的主要因素。本文以大功率光纖激光器中的SRS效應(yīng)為研究對象，以提高光纖激光器的輸出功率為目標(biāo)，開展了三個層面的研究。首先為了抑制大功率摻鐿光纖激光器中的SRS效應(yīng)，對其演變情況、影響因素及抑制方式進(jìn)行了系統(tǒng)研究；其次提出前向拉曼兼容光纖激光器設(shè)計方案，通過有效抑制后向拉曼散射，在摻鐿光纖激光器中同時利用拉曼增益，實(shí)現(xiàn)高功率激光輸出；最后研究如何單

2、獨(dú)利用光纖中的拉曼增益實(shí)現(xiàn)高功率、高效率及高亮度的激光輸出。論文主要內(nèi)容如下：
　　1．對大功率連續(xù)摻鐿光纖激光器中的SRS效應(yīng)開展了系統(tǒng)研究。首先，采用小信號增益法和解調(diào)法分別對傳能被動光纖和摻鐿主動光纖的拉曼增益譜進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)測量，為不同種類光纖拉曼增益系數(shù)的測量提供了可行方案，也為激光器中光纖的選型和數(shù)值模擬中參數(shù)的取值提供了依據(jù)。其次，基于摻鐿光纖激光器的穩(wěn)態(tài)速率方程組及光纖中SRS效應(yīng)的耦合方程組，分別建立了含有拉曼散射效

3、應(yīng)的摻鐿光纖振蕩器與放大器理論模型并進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。最后，數(shù)值仿真了2 kW光纖振蕩器及大功率同帶泵浦光纖放大器中SRS效應(yīng)。結(jié)果表明，當(dāng)光纖激光器運(yùn)行在時序穩(wěn)定的狀態(tài)時，功率達(dá)到SRS閾值后光纖中將產(chǎn)生前向和后向傳輸?shù)睦⑸涔?，且前后向拉曼散射光的功率相?dāng)；在全光纖主振蕩功率放大（MOPA）結(jié)構(gòu)的光纖激光器系統(tǒng)中，放大器中激發(fā)的后向拉曼散射光一旦進(jìn)入光纖振蕩器中將被進(jìn)一步放大，從而導(dǎo)致振蕩器的輸出光功率下降，甚至損壞振蕩器，因此后向

4、拉曼散射成為制約連續(xù)光纖激光器功率提升的主要限制因素。
　　2．研究了自脈沖現(xiàn)象對連續(xù)摻鐿光纖激光器中 SRS效應(yīng)的影響。介紹了連續(xù)光纖振蕩器輸出光中自脈沖現(xiàn)象的特點(diǎn)、產(chǎn)生機(jī)理與抑制方法。結(jié)合摻鐿光纖激光器的瞬態(tài)速率方程組與光纖中 SRS效應(yīng)的耦合方程組，建立了含激光時序特性和拉曼散射效應(yīng)的摻鐿光纖放大器數(shù)學(xué)模型。數(shù)值模擬結(jié)果表明，由于 SRS效應(yīng)的瞬時特性，種子光中的自脈沖會使光纖放大器中信號光的功率往前向拉曼散射光中轉(zhuǎn)移，而對

5、后向拉曼散射的貢獻(xiàn)較小。實(shí)驗(yàn)搭建了自脈沖含量不同的種子光源，分別將其注入同一個光纖放大器中，研究自脈沖含量對放大器 SRS閾值及功率提升的影響。結(jié)果表明，自脈沖的存在使得放大器中激發(fā)的前向拉曼散射光功率遠(yuǎn)大于后向拉曼散射光功率；且種子光中自脈沖含量越大，光纖放大器中前向 SRS閾值越低，無 SRS效應(yīng)時的最高輸出功率也越低。分析了3 kW量級光纖激光器中自脈沖現(xiàn)象對SRS效應(yīng)及功率提升的影響。研究表明，自脈沖現(xiàn)象的存在降低了大功率光纖激

6、光器中 SRS效應(yīng)的閾值，成為實(shí)際工程中制約激光器功率提升的主要因素。
　　3．提出了前向拉曼兼容型摻鐿光纖激光器設(shè)計方案，并對此激光器中的功率分布情況、后向光抑制方法及功率提升情況進(jìn)行了系統(tǒng)研究。針對連續(xù)光纖激光器中的自脈沖現(xiàn)象導(dǎo)致前向拉曼散射光功率遠(yuǎn)大于后向拉曼散射光情況，提出了前向拉曼兼容的光纖激光方案，在允許前向拉曼散射光的存在前提下，分析系統(tǒng)對后向拉曼散射光的容忍度。實(shí)驗(yàn)中通過在摻鐿光纖放大器系統(tǒng)中注入前向拉曼種子光的方

7、法，綜合利用光纖中的鐿離子增益與拉曼增益，實(shí)現(xiàn)了信號光功率往前向拉曼光轉(zhuǎn)移，有效抑制了系統(tǒng)中后向拉曼散射。設(shè)計了大功率前向拉曼兼容的同帶泵浦光纖激光方案，理論分析了自脈沖現(xiàn)象和前向拉曼輔助信號光對激光器最高輸出功率的影響。結(jié)果表明，采用注入前向拉曼種子光的方式，綜合利用光纖中的鐿離子增益與拉曼增益，提高了 SRS效應(yīng)限制下光纖激光器的最高輸出功率。
　　4．對光纖拉曼放大器中的轉(zhuǎn)換效率和亮度提升開展研究。首先，在纖芯泵浦條件下，對

8、比研究了階躍折射率和漸變折射率多模光纖中 SRS效應(yīng)對功率轉(zhuǎn)移和激光亮度提升的影響。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，受限于泵浦激光的脈沖形狀特性，兩種情況下的功率轉(zhuǎn)換效率均較低，但漸變折射率多模光纖中的SRS效應(yīng)具有光束凈化作用，而階躍折射率多模光纖中的SRS效應(yīng)不具有此效應(yīng)。其次，對包層泵浦的拉曼光纖激光器進(jìn)行了理論分析與實(shí)驗(yàn)研究。通過設(shè)計和制備纖芯折射率特殊分布的雙包層拉曼光纖，利用其在包層泵浦拉曼光纖放大器中實(shí)現(xiàn)了信號光光束質(zhì)量的改善，但受限于泵浦