高功率光纤激光器用光纤光栅在线测量系统及误差分析

摘要

高功率光纤光栅是目前高功率光纤激光器的首选谐振腔腔镜，它的各项参数对光纤激光器的性能有着重要影响，能够准确测量高功率光纤光栅参数是制备和使用高功率光纤光栅的重要前提。为了解决目前高功率光纤光栅参数测量方法中高阶模影响测量结果、低反光栅反射率测量不精确、缺乏结合在线监测的特点对测量系统进行全面误差分析等问题，进行了高功率光纤光栅在线测量系统设计和误差分析。 构建了高功率光纤光栅各主要参数（中心波长、带宽、反射率）影响激光器输出特性的数理模型，总结了测量高功率光纤光栅参数的必要性。基于传输矩阵法对高功率光纤光栅进行了建模和仿真，推导了反射率、带宽、中心波长的计算公式和方法，根据模型和公式，用Matlab编写了光纤光栅参数仿真程序，确定了分析高功率光纤光栅参数特性的方法。 设计和优化了高功率光纤光栅参数在线测量系统。系统针对熔接及光纤形变产生的高阶模会影响测量结果的问题，设计光纤盘绕半径为30-35mm对高阶模进行抑制，消除了高阶模对测量结果的影响。针对基于透射谱测量低反光栅反射率不精确的问题，提出并设计了两种新的低反光栅在线测量系统，一种是基于菲涅尔反射原理的0°切割法低反光栅测量系统，另一种是以已知高反光栅为参考的低反光栅在线测量系统。分析了系统的原理，推导了各自的计算公式。针对泵浦光温度系数不能表征高功率光纤光栅工作时温度的问题，设计了高功率光纤光栅的信号激光温度系数测量系统。 对高功率光纤光栅在线测量系统进行了误差分析，误差源包括温度、应变、高阶模、熔接损耗、切割角度等。经过仿真分析和实验验证，得出结论:①高反光栅在线测量系统主要误差源是温度和高阶模，温度波动导致中心波长测量误差为0.049nm左右，通过控制光纤盘绕半径在30-35mm抑制高阶模，使反射率的测量精度达到了0.03％左右;②基于菲涅尔反射原理的0°切割法低反光栅在线测量系统主要误差源是切割角度，通过控制切割角度≤0.1°使反射率测量精度达到了0.1％;③以已知高反光栅为参考的低反光栅在线测量系统的主要误差源是光纤熔接损耗，通过控制熔接损耗在0.02dB以内使反射率测量精度达到了0.1％。 最后进行了低反光栅在线测量系统重复性验证实验，分别采用传统透射式测量系统和本文提出的基于菲涅尔反射原理的0°切割法测量系统对同一个低反光栅进行重复性测量比对，实验结果证明了基于菲涅尔反射原理的0°切割测量系统的测量重复性和准确性更好。

目录

声明

摘要

1绪论

1．1研究背景与意义

1．2国内外研究现状

1．2．1高功率光纤光栅的国内外研究现状

1．2．2高功率光纤光栅参数测量的国内外研究现状

1．3本文主要研究内容

2高功率光纤光栅性能参数的理论分析与仿真

2．1高功率光纤光栅性能参数对光纤激光器的影响分析

2．1．1光纤光栅的反射率参数对光纤激光器的影响分析

2．1．2光纤光栅中心波长对光纤激光器的影响

2．1．3光纤光栅带宽参数对光纤激光器的影响分析

2．2高功率光纤光栅的物理模型

2．2．1基于传输矩阵法的光纤光栅数学模型

2．2．2光纤光栅仿真程序的验证

2．3本章小结

3高功率光纤光栅参数在线测量系统设计

3．1．1系统设计及器件的选取

3．1．2高阶模对测量结果的影响分析及抑制

3．1．3ASE光源不平坦度影响的消除

3．2低反光栅在线测量系统的设计

3．2．1基于菲涅尔反射原理的0°切割低反光栅测量系统及原理

3．2．2以已知高反光栅为参考测量低反光栅反射率的系统及原理

3．3高功率光纤光栅温度系数测量系统设计

3．4本章小结

4高功率光纤光栅参数在线测量系统误差分析

4．1高反光栅在线测量系统误差分析

4．1．1温度导致光纤光栅参数测量误差的理论分析与实验验证

4．1．2应变导致光纤光栅参数测量误差的理论仿真与实验验证

4．1．3高阶模导致光纤光栅参数测量误差的实验验证

4．1．4测试工具差异和读数误差

4．2低反光栅在线测量系统误差分析

4．2．1切割角度导致低反光栅反射率测量误差的理论仿真与实验验证

4．2．2熔接损耗导致低反光栅反射率测量误差的理论仿真与实验验证

4．3低反光栅在线测量系统精度验证实验

4．4本章小结

5总结

致谢

参考文献

附录