高功率波导激光器中高阶模式抑制研究

摘要

作为一种新型波导结构，增益导引-折射率反导引（GG-IAG）波导在高功率激光器中应用广泛，当泵浦功率不太高时，GG-IAG波导激光器可以在超大模场维持单模激光输出，但是随着泵浦功率的不断提高，由于其自身波导结构存在的问题，仍然会导致高阶模式的激射，从而限制了光束质量。 为了进一步抑制大模场高功率波导激光器中的高阶模式，改善其光束质量，本文基于增益导引-折射率反导引（GG-IAG）理论，在对称的平面波导结构中添加了一层间隔层，设计了一种对称分层GG-IAG波导结构。利用间隔层对模式的选择性，在降低基模模式泄露损耗的同时，进一步加大了基模与高阶模式稳定振荡的阈值增益系数之间的差异。当波导层中的增益介于基模和次高阶模式的阈值增益系数之间时，就可以使基模在模式竞争中占据较大优势，从而抑制高阶模式，保证单模输出。本文从理论和数值计算两方面对该波导结构的导模原理和抑制高阶模式的方法进行了细致深入的研究。主要研究内容包含以下几个部分： 1、从射线光学的角度给出了理论分析模型。从波导条件入手，得到满足传输波导条件的各阶模式对应的入射角，然后根据光路传输模型和多光束干涉原理，得到各个模式的等效复反射系数，进一步可以得到模式的泄露损耗。 2、从波动光学的角度给出了理论分析模型。首先从亥姆霍兹方程出发，结合基模场分布的偶函数特性和次高阶模场分布的奇函数特性，得到各阶模式的场分布，根据模式的电磁场切向分量在不同传输介质边界处连续的边界条件，得到对应的本征方程，进而求出模式的泄露损耗。 3、基于上述两种理论，数值计算了该对称分层GG-IAG波导结构中基模和次高阶模的模式泄露损耗，以及二者的模场分布，并给出了能够抑制高阶模式的参数优化过程。结果表明：两种理论的数值计算结果具有一致性，通过合理地选择间隔层参数，就可以保证在高阶模式泄露损耗达到最大值的前提下，极大地降低基模损耗。与无间隔层的GG-IAG波导相比，这样不仅可以降低基模的阈值增益系数，提高激光器的效率，而且可以使高阶模式的阈值增益系数远大于基模，从而更有效地抑制高阶模式，改善光束质量。

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摘 要

Abstract

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第一章绪论

1.1 研究背景及意义

1.2 GG-IAG技术研究现状

1.2.1 GG-IAG光纤激光器

1.2.2 GG-IAG波导激光器

1.3.1 本课题主要工作

1.3.2 论文结构安排

第二章 IG和GG-IAG导模原理

2.1 常规IG导模原理

2.2.1 物理模型

2.2.2 导模原理

2.3 GG-IAG平面波导单模工作特性

2.4 本章小结

第三章对称分层GG-IAG平面波导理论分析

3.1 波导结构

3.2.1 波导条件

3.2.2 反射系数

3.3.1 模场分布

3.3.2 本征方程

3.4 横模模式竞争

3.5 本章小结

第四章参数优化与数值分析

4.1 无间隔层GG-IAG平面波导数值计算

4.2.1 射线光学

4.2.2 波动光学

4.2.3 两种方法数值分析比较

4.3 基模与次高阶模场分布

4.4 本章小结

结论与展望

致 谢

参考文献

攻读硕士学位期间发表的论文及科研成果