基于锥镜的光纤激光偏振补偿及倍频技术研究

摘要

自半导体激光泵浦技术诞生以来，高功率、高效率光纤激光器正在引领激光技术领域的研究热潮，已被广泛应用于工业加工、医疗美容、科学研究等领域。其中，相干合成、非线性光学、光纤通信等领域通常需要具有高消光比特性的线偏振激光，线偏振光纤激光器能够满足此类要求，一直备受青睐。但是受限于保偏光纤器件制造工艺复杂、价格昂贵、易受外界扰动等影响，其发展速度一直远远慢于非保偏光纤激光器。本文针对这一现状提出了一种末端偏振补偿方案，利用锥透镜对光场进行整形，再结合空间相干合束技术，将输入的任意偏振激光转变成线偏振激光输出。论文分析讨论了锥透镜对高斯光束的变换机理并建立了数值模型，仿真结果表明本方案可以在不改变输入激光功率和发散角的条件下将入射任意偏振激光转换为线偏振激光输出。在此基础上，展开了系统在不同条件下的工作性能和倍频效率的实验工作，主要研究内容如下：
　　1、介绍了线偏振激光的应用价值；回顾了光纤激光器的发展历史，并对其当前发展状况进行了阐述；阐明了线偏振光纤激光器的功率限制，提出利用空间偏振补偿系统使非保偏激光转变为具有高消光比特性的线偏振激光的设想，拓宽了非保偏光纤激光器的应用范围；简要介绍了产生环形光束的一些方法及环形光束的用途。
　　2、分别利用惠更斯-菲涅尔衍射法和双光束干涉法对通过单锥透镜的高斯光束进行理论分析和仿真计算；另外利用光场传输理论，对高斯光束通过两个锥透镜所发生的光束变换过程进行了理论分析和仿真计算；分析了两锥透镜底面间距及入射高斯光束的束腰半径对变换后光束近、远场光强分布的影响；提出了偏振补偿系统的设计思路，分析了其工作原理并进行仿真计算，从理论上论证了系统的可行性。
　　3、分别在低功率连续激光、中等功率连续激光、高功率脉冲激光三种入射光条件下，验证了此偏振补偿系统的可行性，测试了其工作性能；利用光斑分析仪和光束质量分析仪分别对高斯光束、环形光束以及合成光束的近、远场光强分布及M2值和远场发散角进行了测量，结果表明合成光束M2显著增大，但远场发散角变化不明显；测量并计算了系统的功率转换效率，分析了发生能量损耗的原因，最后对系统的工作稳定性进行了简单测试。
　　4、简要介绍了非线性晶体的倍频理论和KTP晶体的性质，利用上述偏振补偿系统输出的线偏振激光进行了晶体腔外单程倍频实验；两台非保偏光纤激光器分别表现为低平均、高峰值功率和高平均、低峰值功率，倍频效率存在显著差异，分析了差异产生的原因；同时，还测量了倍频前后高斯光束、环形光束和合成光束的光强分布并拍摄了现场实物图，分析讨论了倍频前后光强分布发生的改变及其产生的可能原因。

目录

声明

第一章 绪论

1.1 课题背景

1.2 课题的研究目的和意义

1.3 本文主要研究内容和结构安排

第二章 理论基础

2.1 课题实验方案

2.2 锥透镜生成环形光束理论

2.3 实验方案理论仿真

2.4 本章小结

第三章 偏振补偿系统性能测试

3.1 低功率连续激光下的系统性能测试

3.2 中等功率连续激光下的系统性能测试

3.3 高功率脉冲激光下的系统性能测试

3.4 本章小结

第四章 利用偏振补偿系统进行倍频的研究

4.1 非线性晶体倍频理论及KTP晶体简介

4.2 不同功率水平下的倍频实验的研究

4.3 本章小结

第五章 全文总结与展望

5.1 论文的主要工作

5.2 论文主要创新工作

5.3 存在的不足及后续工作展望

致谢

参考文献

作者在学期间取得的学术成果