高功率掺镱全光纤激光器关键单元技术研究

摘要

近年来，随着高功率光纤激光器的不断发展，关键光纤器件逐渐成为功率提升的主要瓶颈。本文着重展开了对此前关注较少的高功率泵浦耦合器件（光纤合束器、GTWave）和高功率输出器件（包层光滤除器、光纤端帽）的研究。结合理论与实验对这些器件的设计进行了优化，并提出了新的关键技术。在此基础上，利用自制的掺镱光纤实现了全光纤结构的直接振荡单模2kW高功率激光输出。 在泵浦耦合器件方面，首先介绍了常规合束器的发展概况以及光纤合束器中的新工艺，总结了常用的几种组束方式。然后基于最新的CO2激光热源LZM-100利用套管法工艺成功制备出7×1合束器，其平均耦合效率为79.6%。在超高功率泵浦耦合方式中，GTWave要优于光纤合束器，于是针对其拉制困难的问题试图从理论入手找到解决办法。在实验验证了GTWave多模耦合模型后，又通过模型计算了泵浦模式对激光效率的影响，同时分析对比了（N+1）与（1+1）型GTWave的激光效率与温度特性。发现（N+1）型（N≥2）GTWave和高阶模泵浦可有效提升非紧贴状态下GTWave的激光效率，为GTWave的设计提出了合理的建议。 在输出器件方面，对于包层光滤除器，先介绍了三种不同包层光滤除方法的最新进展，计算了不同折射率胶作用下的包层光滤除效果，为包层光滤除器的设计提供了理论依据。接着在实验中对包层光滤除器进行了改进，对比传统的单级滤模方式，发现改进后的滤模方法在滤除30W功率时温度降低了3~4℃。最后提出了基于倏逝场效应的包层光滤除新思路。对于光纤端帽，在介绍其原理和常见的结构之后，分析了激光输出发散角对光纤端帽设计的影响。同时通过计算无芯光纤端帽的回光发现输出角度对包层回光造成的泄露损耗较小，对纤芯回光造成的泄露损耗较大，进一步说明了包层光滤除器的重要意义。最后实现了2mm棒状光纤端帽与双包层光纤的熔接，并进行了1.08kW功率下的验证，发现输出结果与无芯光纤端帽几乎相同。 此外，还对高功率熔接，高功率散热和高功率安全监测等关键技术展开了研究。首先研究了高功率熔接的质量检测方法，并分析了熔点处的热现象，总结了常见的解决方案。然后分析了高功率光纤激光器的散热技术，并提出了新的模块化水冷方案。建立了一整套高功率光纤激光器安全监测系统。最终在此基础上搭建出2kW单模直接振荡光纤激光器，输出功率最高为2.01kW，斜率效率为82.5%，M2为1.39。最高功率输出下未发现模式不稳定与受激拉曼现象。

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