高平均功率光纖脈沖激光技術研究.pdf

1、1961年,世界上第一臺激光器發(fā)明,激光技術由此飛速發(fā)展。激光器的種類由工作的物質(zhì)的不同可分為固體激光器、氣體激光器、染料激光器等。光纖激光器作為一種新型的固體激光器,與傳統(tǒng)的固體激光器相比較,以光纖波導為工作介質(zhì)的光纖激光器具有光束質(zhì)量好、轉(zhuǎn)換效率高、便于熱管理和結(jié)構緊湊、使用輕便靈活等等許多優(yōu)點,在工業(yè)加工、激光醫(yī)療、科學研究和軍事國防等領域具有廣泛應用。目前,國際上單根連續(xù)光纖激光器的輸出功率已經(jīng)達到萬瓦水平。但是Dawson等人

2、的研究分析認為,按照目前的材料和條件,對于寬帶光纖激光器,輸出衍射極限激光的功率上限為36.6kW,對于窄帶寬光纖激光器,輸出上限則是18.6kW。采用脈沖工作方式的光纖激光器可實現(xiàn)極高峰值功率的激光輸出,在激光與靶目標相互作用、非線性頻率轉(zhuǎn)化等應用方面彌補了連續(xù)光纖激光的諸多局限,是高功率光纖激光技術領域的一個重要研究方向。本文主要對窄光譜寬度的脈沖光纖激光器、高平均功率光纖放大器及其倍頻技術進行了詳細的實驗研究。
　　第一章對

3、摻Y(jié)b3+雙包層光纖進行了簡單介紹。重點分析了光纖激光獲得脈沖激光輸出的三種主要方法:調(diào)Q技術,鎖模技術,種子光主振蕩-放大(MOPA)技術,并給出了國內(nèi)外研究機構的一些典型研究成果。介紹了光纖激光倍頻技術的典型結(jié)構和實驗結(jié)果。
　　第二章對基于摻Sm3+光纖可飽和吸收特性的被動調(diào)Q光纖激光技術進行了理論和實驗研究。首先分析了被動調(diào)Q激光器的基本理論,并介紹了全光纖化被動調(diào)Q光纖激光器的關鍵技術及核心部件。實驗研究了以摻Sm3+光

4、纖作為可飽和吸收體全光纖化被動調(diào)Q脈沖光纖激光器技術,采用三種腔結(jié)構,分別實現(xiàn)了激光波長1064nm平均功率2.3W,脈沖寬度450ns,重復頻率18kHz;激光波長1080nm平均功率2.26W,脈沖寬度648ns,重復頻率310kHz;激光波長1080nm平均功率1.93W,脈沖寬度816ns,重復頻率212kHz的典型實驗結(jié)果。
　　第三章主要研究了全光纖化的高平均功率脈沖光纖放大器技術,采用電流直接調(diào)制的半導體激光器為種子

5、光源,通過摻Y(jié)b3+光纖級聯(lián)放大(MOPA)結(jié)構,獲得了平均功率101W,脈沖寬度16.7ns,重復頻率51kHz的高平均功率脈沖激光輸出。采用被動鎖模的皮秒級光纖激光器為種子光源,通過一級光纖放大器,成功獲得了平均功率102W,脈沖寬度76ps,重復頻率18.6MHz,中心波長1064nm,光譜半高寬度僅為0.16nm的激光輸出。利用高平均功率的皮秒級脈沖光纖激光器,初步開展了激光精細加工的實驗研究。
　　第四章主要對脈沖光纖激

6、光器的倍頻技術進行了理論和實驗研究,首先介紹了非線性頻率轉(zhuǎn)換的基本理論以及實現(xiàn)相位匹配的方法,分析了激光光譜寬度對倍頻轉(zhuǎn)換效率的影響。建立了以窄譜寬聲光調(diào)Q光纖激光器為種子光源,以保偏摻Y(jié)b3+雙包層光纖為放大器的脈沖光纖放大系統(tǒng),得到了15W的窄譜寬線偏振的脈沖激光輸出。采用非臨界相位匹配的KTP晶體為倍頻元件,通過腔外單通倍頻,在基頻光為13.7W時獲得了3.5W的540nm的脈沖綠光激光輸出。
　　本工作的創(chuàng)新點有:(1)對

7、于摻Sm3+光纖作為可飽和吸收體的全光纖脈沖激光器,分別實驗研究了單、雙腔結(jié)構的激光系統(tǒng),并均得到了穩(wěn)定的脈沖輸出,并對其輸出特性進行了分析;(2)實現(xiàn)了納秒級全光纖激光器的工程化樣機的裝配;(3)采用一級MOPA結(jié)構,試驗成功了102W高平均功率窄譜寬皮秒脈沖全光纖激光系統(tǒng),并應用這套系統(tǒng)進行了工業(yè)加工實驗。(4)使用非臨界相位匹配的KTP晶體,對光纖輸出的窄譜寬高平均功率線偏振納秒級脈沖激光進行了倍頻實驗,光-光轉(zhuǎn)化效率達25.5％