摻鐿雙包層光纖放大器和激光束相干合成的基礎研究.pdf

1、高功率、高光束質量輸出的激光系統(tǒng)在科學研究、工業(yè)生產和軍事裝備等諸多領域中具有重大應用價值，自從激光器誕生之日起就成為人們追求的目標；近幾年激光束的相干合成技術(或相干組束技術)成為實現(xiàn)這一目標的重要手段并成為人們研究的熱點。本文將激光束相干合成技術和雙包層光纖的包層泵浦技術相結合，進行了采用摻鐿雙包層光纖作為增益介質的激光束相干合成的基礎研究，得出了一系列結果，為進一步的工作打下了重要的基礎。 本論文研究的內容及創(chuàng)新點主要包括

2、以下幾個方面： 1．首先對激光束相干合成的歷史和發(fā)展現(xiàn)狀做了一個綜述，介紹了國內外這一領域研究的最新進展。接著我們介紹和討論了相干合成技術的主要分類和它們各自實現(xiàn)相干輸出的原理和主要特點。然后我們介紹了雙包層光纖中的包層泵浦技術，并指出摻鐿雙包層光纖激光器具有的如結構緊湊易組束、模式質量好等特點使它在進行激光束相干合成的研究和應用中具有不可替代的優(yōu)勢。這正是本論文的立意所在。 2．基于D．C．Jones等提出的考慮放大的

3、自發(fā)輻射的雙包層摻鐿光纖放大器的模型，推導了放大器的信號光、泵浦光、自發(fā)輻射的速率方程和上能級粒子數(shù)密度在穩(wěn)態(tài)條件下的解；然后我們從以上的速率方程組出發(fā)，模擬了放大器結構參數(shù)對激光輸出特性的影響。給出了光纖放大器中泵光、放大的信號光以及前、后向放大的自發(fā)輻射沿光纖長度方向的分布，放大的信號光和泵光之間的關系，以及放大器輸出光的光譜圖和ASE抑制光譜圖。 3．基于Corcoran等提出的自傅立葉腔實現(xiàn)激光束相干合成的方案，我們選取

4、了實驗室使用的一種摻鐿雙包層光纖的結構參數(shù)、工作波長設計了一維自傅立葉腔，并模擬了自傅立葉腔輸入面上各光纖激光器的振幅分布。 4．研究了大模面積摻鐿雙包層光纖放大器。對于我們所采用的后向泵浦方式，無論是否有信號光，均存在前向泵光功率向后向放大的自發(fā)輻射或放大的信號光的能量轉移，要想獲得較大的放大器輸出功率宜采用后向泵浦的方式。信號光的加入使放大的自發(fā)輻射受到一定程度的抑制，使整個系統(tǒng)的光光轉換效率提高。并聯(lián)主振蕩功率放大實現(xiàn)相干

5、合成的方案的相干性要求各路放大器輸出激光的線寬盡量窄，但高功率輸出條件下窄線寬的激光輸出容易受光纖中非線性效應的影響，綜合考慮這兩種因素，我們研制的摻鐿雙包層放大器其輸出光既保持了信號光的優(yōu)良光譜特性，又可以有效壓制受激布里淵散射。放大器輸出激光的線寬約為0.027nm，對應相干長度約為4cm，對于相干性的操作長度已經足夠；輸出激光線寬對應的頻譜寬度為7.2GHz，足可以壓制受激布里淵散射(約100MHz帶寬)。 5.研究了Er

6、<'3+>/Yb<'3+>共摻雙包層光纖放大器的偏振特性。以橢圓長軸方位角和偏振度這對參量來表征光的偏振態(tài)，對雙包層光纖放大器的偏振態(tài)的演化及其穩(wěn)定性進行了研究。要想使雙包層光纖放大器輸出的光具有良好的偏振特性一偏振度高且偏振態(tài)穩(wěn)定，就必須在控制光路中加入起偏器以確保其高的偏振度，配合使用偏振控制器就可以保證高的偏振度和偏振方向的可控性。如果能在信號源光纖回路中使用保偏光纖和在放大增益階段采用雙包層保偏光纖，則會使整個放大器系統(tǒng)輸出光的

7、偏振態(tài)的穩(wěn)定性進一步提高。對于連續(xù)波操作條件和鎖模脈沖操作條件都有上述結論，不同的是鎖模脈沖工作模式下，光的偏振度整體下降，但偏振態(tài)的穩(wěn)定性卻有所提高。 6.將改進的邁克爾遜激光腔實現(xiàn)相干合成的方案和包層泵浦技術相結合，并提出在邁克爾遜腔的一臂上增加延時結構以方便臂長差的優(yōu)化，在摻鐿雙包層激光器中實現(xiàn)了激光束的部分相干合成。經過初步的實驗，我們得出：如果增益光纖的長度有較大差別以致光譜增益區(qū)間沒有重疊時，是不可能實現(xiàn)相干合成的；

8、使用對激光較低反射率的輸出境會提高激光系統(tǒng)的輸出功率，但如果反射率太低則不能提供足夠的反饋使邁克爾遜腔結構的兩路同時起振，選擇腔鏡要權衡這兩個因素；我們使用偏振態(tài)、光譜和功率增量比幾種手段來描述合成光的相干程度并相互印證，證明在我們的實驗中采用改進的邁克爾遜激光腔結構實現(xiàn)了兩路摻鐿雙包層激光器的部分相干合成，不過合成效率較低；在高功率工作條件下合成光的相干性下降。結合理論部分對邁克爾遜激光腔實現(xiàn)相干合成的限制的簡單估計可知，雖然這種相干

9、合成的方法具有高的相干合成效率，但不適用于大陣列激光器的相干合成和高功率的操作條件。 7.研究了多波長可轉換摻鐿雙包層光纖激光器。我們在摻鐿雙包層光纖上利用相位掩模法直接刻寫B(tài)ragg多模光柵實現(xiàn)了多波長可轉換輸出的實驗結果，分別得到單波長(1060.8 nm)、雙波長(1060.6 nm、1061 nm)、三波長(1059.2 nm、1060.4 nm、1061 nm)、四波長(1060.7 nm、1061 nm、1061.2