高峰值功率脉冲主振荡功率放大光纤激光系统关键技术研究

摘要

脉冲主振荡功率放大光纤激光系统（Master-OscillatorPowerAmplifierFiber Laser System, MOPA）以其输出功率高、光束质量好、可靠性高和结构设计灵活等优势在工业加工、空间激光通讯、激光武器等领域获得了广泛应用。近年来，其研究工作主要集中在提高MOPA系统的峰值功率和光束质量等方面，而放大过程中系统产生的自发放大辐射、非线性效应、多模耦合效应等一直是制约峰值功率和光束质量提高的重要因素。本论文针对MW级高峰值功率MOPA脉冲光纤激光系统开展研究，旨在探索抑制放大过程中产生的自发放大辐射、非线性效应和多模耦合等问题的方法，提高系统的光脉冲峰值功率和光束质量，实现MW级峰值功率的脉冲光输出。
　　1.基于增益光纤能带理论，分析了Yb3+的跃迁及辐射特性，解释了ASE效应的产生原理；在此基础上建立了瞬态激光速率方程，分析了光脉冲宽度和波形对于脉冲放大畸变的影响；对放大过程中几种非线性效应的产生原理进行分析，得到非线性效应之间的相互制约关系，分析了几种非线性效应对输出光谱和光脉冲形状产生的影响；对增益光纤进行建模，模拟了不同光纤参数条件下光纤中的模式分布，为大模场少模光纤的优化设计提供了依据。
　　2.针对脉冲半导体激光器种子源调制技术进行了理论和实验研究。对半导体激光器调制过程中的时间延迟、弛豫振荡和自脉冲等效应的产生机理进行了分析，通过大信号调制和增益开关法对弛豫震荡和自脉冲效应进行控制，产生稳定的脉冲光输出。在此基础上采用同轴传输原理研制了重复频率25 kHz~200kHz的连续可调的脉冲半导体激光驱动电源，获得了最小脉冲宽度为835ps稳定光脉冲输出的激光种子源。
　　3.针对高峰值功率光纤放大系统中ASE效应、非线性效应和自激振荡等开展研究，分析了信号光功率和波形、增益光纤长度、泵浦构型和端面反射对上述效应的影响，探索抑制 ASE、非线性和自激振荡效应的方法，提高系统光脉冲峰值功率。信号光输出功率、增益光纤长度和泵浦方式对ASE效应激射光的激射功率和激射波长都有较大影响，光纤长度与ASE激射光波长成正比，与ASE激射光功率成反比。在对mW级的大信号放大时，ASE效应随着信号光的增加而减小，随着泵浦光功率的增加而增大。在对μW级的小信号进行放大时，信号光功率大小不会对ASE效应产生影响，需要采用正向泵浦对级联光纤放大器提高信号光的放大倍数，综合考虑ASE激射光增益和系统放大效率对光纤长度进行优化；种子源脉冲幅值、增益光纤长度和泵浦方式对非线性效应具有重要影响，在进行高峰值功率放大时，当增益达到饱和时的光纤长度为最优，并采用反向泵浦方式对高脉冲幅值的光脉冲进行放大，提高非线性阈值功率；通过对输出端面进行包层功率剥离和无芯端帽的设计减小端面功率密度，在端面研抛斜角和镀膜减小端面反射，抑制自激振荡和端面热损伤。
　　4.针对MOPA光纤激光系统主放大增益光纤的模场分布和模式增益进行理论研究与数值计算，探索增大光纤模场面积和实现少模光输出的方法，提高系统的非线性阈值功率和输出光束质量。基于多模光放大理论模型，针对六种典型的折射率和掺杂离子分布中的各阶光模式分布与模式增益进行了数值模拟，计算了不同模式耦合系数和泵浦条件下的模式功率分布；研究了光纤弯曲效应对模场分布、模场面积和模式损耗的影响。根据模拟分析结果，设计提出一种兼具大模场和抗弯曲畸变特性的高斯复合型双包层增益光纤结构设计方案，模场面积达到1.17×103μm2，基模输出功率占总功率94.67％，达到了增大光纤模场面积和少模输出的目的。
　　5.分别采用全光纤结构和空间耦合结构搭建了两种MW级MOPA光纤激光系统。在全光纤结构系统中，采用高斯复合型增益光纤对光脉冲进行放大，在25 kHz时光脉冲宽度和峰值功率分别达到1.2 ns和1.56 MW。实验还对系统进行了弯曲选模实验，得到了近单模输出的光束（Mχ2=1.52，Mχ2=1.56）；在空间耦合系统中，采用棒状光子晶体光纤（Rod-likePhotonicCrystalFiber, RPCF）进行空间耦合放大，在25kHz时获得了脉冲宽度和峰值功率分别为1.12 ns和2.01 MW的光脉冲光输出，Mχ2=1.23，Mχ2=1.27。最后，在两套系统中都采用了声光调制光脉冲切割方法，实现了系统在频率为1kHz~200 kHz的范围内连续可调。

目录

声明

第一章 绪 论

1.1 MOPA结构脉冲光纤激光技术

1.2 MOPA结构光纤激光系统应用前景

1.3 MOPA结构脉冲光纤激光器研究进展

1.4 论文的选题意义及研究内容

第二章 掺 Yb3+ 脉冲光纤放大系统理论研究

2.1 Yb3+离子能级结构及放大自发辐射

2.2 脉冲光纤放大器动态传输理论分析

2.3 非线性效应理论研究

2.4 增益光纤模式特性研究

2.5 本章小结

第三章 脉冲调制半导体激光器种子源研究

3.1 半导体激光器工作原理

3.2 半导体激光器瞬态特性

3.3 半导体激光器调制特性

3.4 窄脉冲半导体激光器种子源研制

3.5 本章小结

第四章 高峰值功率光纤放大系统研究

4.1 光放大系统信号光输出特性优化与实验

4.2 光放大系统增益光纤腔长优化设计与实验

4.3 光放大系统泵浦耦合优化设计与实验

4.4 光放大系统输出端面工艺与实验优化

4.5 本章小结

第五章 MOPA光纤激光系统主放大级增益光纤性能研究

5.1 大模场增益光纤模式耦合特性研究

5.2 折射率分布对模场分布的影响

5.3 掺杂离子分布对光纤模式增益的影响

5.4 光纤弯曲效应对模式特性的影响

5.5 大模场双包层选模增益光纤优化设计实例

5.6 本章小结

第六章 高峰值功率MOPA脉冲光纤激光系统实验研究

6.1 高峰值功率MOPA全光纤脉冲光纤激光系统实验

6.2 弯曲选模实验与光束特性评价

6.3 RPCF空间耦合光放大系统实验

6.4 声光调制光脉冲切割技术

6.5 本章小结

第七章 总结与展望

致谢

参考文献

攻读博士学位期间已发表论文及授权专利情况

攻读博士学位期间参加的科研项目情况