高功率全光纖激光器及放大器中關(guān)鍵問題的研究.pdf

1、本文的研究工作是在國(guó)家863計(jì)劃項(xiàng)目(編號(hào)2003AA312100)、總裝預(yù)研支撐項(xiàng)目(編號(hào)41501070408)、天津市科技攻關(guān)(編號(hào)05YFGZGX02700)等項(xiàng)目的資助下進(jìn)行的。在大模場(chǎng)面積摻鐿雙包層光纖、側(cè)面泵浦耦合器和多模光纖合束器研究的基礎(chǔ)上,我們對(duì)高功率雙包層光纖激光器、放大器全光纖化實(shí)驗(yàn)中的一些關(guān)鍵問題進(jìn)行了理論和實(shí)驗(yàn)研究。主要研究?jī)?nèi)容和成果包括以下幾個(gè)方面： 1、對(duì)大模場(chǎng)面積摻鐿雙包層光纖、側(cè)面泵浦光纖耦合

2、器和多模光纖合束器進(jìn)行了研究。 利用MCVD工藝結(jié)合溶液摻雜技術(shù),首先研制出了國(guó)產(chǎn)性能優(yōu)良的大模場(chǎng)面積摻鐿雙包層光纖,大模場(chǎng)面積摻鐿雙包層光纖的有效吸收系數(shù)有了較大提高,由原來(lái)的1dB/m提高到4dB/m,纖芯的數(shù)值孔徑由原來(lái)的0.15降到0.07。 首次提出采用熔融拉錐工藝解決泵浦光功率的側(cè)面泵浦問題。研制出側(cè)面泵浦耦合器的泵浦光耦合效率：74％；信號(hào)光耦合效率：95％；信號(hào)輸入端與泵浦輸入端的隔離度：>50 dB;泵

3、浦輸入端對(duì)輸出端反向傳輸光的隔離度：20 dB：承受峰值功率：>15kW。在實(shí)驗(yàn)中有效的起到了泵浦耦合與保護(hù)LD的作用。 利用熔融拉錐工藝結(jié)合光纖熔接,進(jìn)行了多模光纖合束器的研究。研制出了結(jié)構(gòu)分別為3x1、6x1兩種多模光纖合束器,實(shí)現(xiàn)了最大93％的高耦合效率。滿足實(shí)驗(yàn)中高效泵浦耦合的需要。 2、對(duì)高功率摻鐿雙包層光纖激光器、放大器的相關(guān)理論進(jìn)行了研究。 采用全光譜法建立了摻鐿雙包層光纖放大器穩(wěn)態(tài)和瞬態(tài)的粒子數(shù)速

4、率方程?；诜€(wěn)態(tài)條件下的粒子數(shù)速率方程,計(jì)算了上能級(jí)粒子數(shù)的分布情況和功率輸出特性。結(jié)果表明：光纖內(nèi)上能級(jí)粒子數(shù)呈中間大,兩頭小的規(guī)律分布；輸出功率隨著光纖長(zhǎng)度的增加逐漸提高,但是達(dá)到最大值會(huì)出現(xiàn)功率飽和?；谒矐B(tài)粒子數(shù)速率方程,計(jì)算了不同脈沖的放大特性,結(jié)果表明不同形狀的脈沖在放大過程中會(huì)產(chǎn)生不同程度的變形,其中方波脈沖、超高斯脈沖的變形較多,而高斯脈沖、雙曲正割脈沖的變形較小。 3、對(duì)全光纖化摻鐿雙包層光纖激光器進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研

5、究。 采用雙包層光纖載氫和相位掩模法寫制了激光器腔鏡的光纖光柵。利用光纖光柵做前腔鏡、雙包層光纖后端面輸出的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì),研究了不同光纖長(zhǎng)度下激光器的輸出特性。實(shí)驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)減少增益光纖的長(zhǎng)度,激光器的輸出功率和斜率效率逐漸提高,泵浦閾值也更大,和理論模擬的結(jié)果相一致。采用DBR結(jié)構(gòu)熔接的雙包層摻鐿光纖激光器,獲得了1.48W高穩(wěn)定、高信噪比的激光輸出,激光器輸出波長(zhǎng)1054.6nm,激光線寬為0.21nm。在此基礎(chǔ)上完成了一臺(tái)輸出功率

6、達(dá)到20W的全光纖摻鐿雙包層光纖激光器。 4、對(duì)脈沖輸出的全光纖摻鐿雙包層光纖放大器進(jìn)行了理論和實(shí)驗(yàn)研究。 利用自行研制的摻鐿雙包層光纖,首次將光纖側(cè)面耦合器和主振蕩功率放大技術(shù)相結(jié)合,實(shí)現(xiàn)了全光纖結(jié)構(gòu)的脈沖光纖放大器。研究了激光輸出功率隨重復(fù)頻率的變化關(guān)系,以及放大過程中對(duì)激光脈沖寬度的壓縮作用,實(shí)驗(yàn)結(jié)果與理論計(jì)算結(jié)果吻合。 研究了側(cè)面分布式泵浦、兩級(jí)全光纖連接的摻鐿雙包層脈沖光纖放大器,實(shí)現(xiàn)了平均輸出功率2.

7、12W、脈沖寬度20ns、重復(fù)頻率50KHz的高功率、高重復(fù)頻率的全光纖雙包層脈沖光纖放大器,并完成了樣機(jī)的研制。實(shí)驗(yàn)中側(cè)面泵浦耦合器成功的隔離了回波脈沖對(duì)泵浦光源的影響,解決了泵浦光源的損壞問題。 5、對(duì)全光纖結(jié)構(gòu)的高功率、窄線寬摻鐿光纖放大器進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究。 通過自行研制的高摻鐿光纖和光纖光柵對(duì),進(jìn)行了DBR結(jié)構(gòu)的窄線寬信號(hào)源的實(shí)驗(yàn)研究。實(shí)現(xiàn)了中心波長(zhǎng)1052.746nm、輸出功率107.8mW、帶寬0.078nm、

8、光學(xué)信噪比達(dá)76dB、斜率效率46.3％的穩(wěn)定激光輸出,研制出了窄線寬、高輸出功率、高穩(wěn)定性的種子源。 在窄線寬摻鐿雙包層光纖放大器實(shí)驗(yàn)研究中采用側(cè)面泵浦技術(shù),進(jìn)行了一級(jí)全光纖結(jié)構(gòu)的窄線寬摻鐿雙包層光纖放大器實(shí)驗(yàn)研究。優(yōu)化了信號(hào)源泵浦功率的設(shè)定、整體結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì),實(shí)現(xiàn)了放大信號(hào)功率為1.07W,信號(hào)增益為18dB。 首次實(shí)現(xiàn)了輸出功率達(dá)到15W以上全光纖化結(jié)構(gòu)的窄線寬摻鐿雙包層光纖放大器。實(shí)驗(yàn)采用自己研制的高耦合效率的多模