高功率全光纤掺Yb3+光纤放大器传输放大特性研究

摘要

高功率掺Yb3+光纤放大器以其结构紧凑、高效率、高光束质量、高信噪比等优点，广泛应用于科学研究、工业生产与军事等领域。尤其是高能固体激光装置的光脉冲产生系统要求输出具有一定光谱宽度、脉宽、高光束质量、高信噪比的高功率激光种子脉冲。高功率掺Yb3+光纤放大器主要决定了光脉冲产生系统的输出能量、光束质量、信噪比等系统关键输出参数，其增益是系统能流分布设计的关键环节，涉及到其他系统的增益分配。但光纤放大器中的ASE噪声、非线性效应以及饱和失真等因素严重影响了高功率掺Yb3+光纤放大器输出脉冲波形、光谱、能量以及信噪比等要求，因此，一方面，为保证光脉冲产生系统的输出能量、光谱带宽、信噪比及光束质量等指标;另一方面为保证整个光脉冲产生系统能够安全、高效、长期、稳定的运行工作，必须合理的设计该系统中高功率光纤放大器的工作点，并解决ASE噪声、饱和失真以及非线性效应等影响放大器输出的关键因素。
　　论文针对光脉冲产生系统中高功率全光纤掺Yb3+光纤放大器，理论和实验两方面深入研究了其传输放大特性。主要解决了以下几个方面的问题:建立并完善了高功率掺Yb3+光纤放大器的理论;数值分析了高功率掺Yb3+光纤放大器的ASE噪声特性，脉冲的饱和放大特性与增益特性，结果显示通过选择增益光纤并合理设计放大器的增益，可以降低放大器中的ASE噪声功率，并且可避免饱和放大引起的脉冲波形失真;研究了高功率全光纤掺Yb3+光纤放大器的线性传输特性，分析了光纤放大器的损耗、增益光纤损伤阈值等，并提出了利用新型end-cap来解决光纤端面损伤的途径;研究了高功率全光纤掺Yb3+光纤放大器的非线性传输特性，数值分析了SPM、SRS以及SBS的阈值特性，研究表明根据输出功率要求，通过选择较短的大芯径增益光纤可以提高SBS和SRS的阈值，避免其对光谱产生的影响;为了避免超短脉冲波形与光谱在高功率掺Yb3+光纤放大器中引起的畸变，理论研究了高功率超短脉冲在掺Yb3+光纤中的自相似传输放大特性，结果表明当脉冲宽度、脉冲能量与放大器的增益满足一定关系时，超短脉冲在增益光纤中自相似传输放大，脉冲波形与光谱均演化为抛物形，输出脉冲呈线性啁啾，易于脉宽压缩，为高功率全光纤超短脉冲产生系统的研制提供了依据。
　　基于理论分析，设计了高功率全光纤大模场掺Yb3+光纤放大器，实验中解决了泵浦光与信号光耦合技术、放大器级间隔离、噪声控制、饱和放大抑制、模式控制等难点，并通过增益光纤选择控制了光纤放大器中增益光纤的非线性效应与光纤损伤。通过对脉宽5ns的窄带脉冲放大，获得增益17dB，输出峰值功率700W;脉宽2.0ns，光谱带宽1.2nm的小宽带脉冲放大，获得增益33dB，输出脉冲峰值功率19.34kW。
　　通过对高功率掺Yb3+光纤放大器传输放大特性的理论与实验研究，解决了泵浦光与信号光高效率耦合入纤问题，实现了系统的全光纤化;理论与实验解决了ASE噪声问题，提高了系统的信噪比;通过理论分析合理设计光纤放大器的工作点，避免了时间波形的饱和失真问题;理论分析了增益光纤损伤和非线性效应阈值，提供了设计光纤放大器时避免损伤与非线性效应产生的依据;目前实验中研制的光纤放大器样机已成功地应用于高能量固体激光装置光脉冲产生系统的功率光纤放大组件中，实现了高功率输出的全光纤光脉冲产生系统。

目录

声明

摘要

第一章 绪论

1．1 高功率光纤放大器的发展背景

1．2 高功率掺Yb3+光纤放大器的研究概况

1．2．1 研究进展及趋势

1．2．2 高功率掺Yb3+光纤放大器的构成

1．2．3 掺Yb3+光纤放大器分类

1．3 高功率掺Yb3+光纤放大器的需求与牵引

1．4 本论文研究内容及完成的工作

1．4．1 本论文研究内容

1．5．2 论文主要完成的工作

第二章 Yb3+光谱特性与掺Yb3+光纤放大器的放大理论分析

2．1 Yb3+光谱特性(Spectroscopic Properties)

2．1．1 Yb3+的能级结构

2．1．2 Yb3+的吸收与发射截面

2．1．3 Yb3+的合作发光效应

2．1．4 Yb3+光谱特性的关键参数

2．2 掺Yb3+光纤放大器的放大理论分析

2．2．1 掺Yb3+光纤放大器构型分析

2．2．2 掺Yb3+光纤放大器理论模型

2．2．3 稳态表达式

2．2．4 泵浦光的分布

2．2．5 泵浦阈值

2．2．6 泵浦、信号光饱和功率

2．2．7 最佳增益光纤长度

2．2．8 增益光纤中储能分析

2．2．9 增益光纤中的增益

2．3 速率—传输方程数值分析方法

2．4 高功率掺Yb3+双包层光纤放大器的数值分析

2．4．1 泵浦光、ASE功率分布

2．4．2 反转粒子数分布

2．4．3 稳态时泵浦光对信号光功率分布的影响

2．4．4 脉冲放大饱和特性与ASE分布

2．5 高功率掺Yb3+大模场光纤放大器的数值分析

2．5．1 高功率掺Yb3+大模场光纤放大器分析模型

2．5．2 饱和放大特性分析

2．6 本章小结

第三章 高功率掺Yb3+光纤放大器的线性传输特性

3．1 高功率掺Yb3+光纤放大器的损耗分析

3．1．1 放大器中光纤引起的损耗

3．1．2 光纤器件引起的损耗

3．2 高峰值功率脉冲在光纤中的损伤研究

3．2．1 光纤端面损伤

3．2．2 光纤中的自聚焦损伤机理

3．3 本章小结

第四章 高功率掺Yb3+光纤放大器中非线性传输特性

4．1 自相位调制效应(SPM)

4．1．1 理论模型

4．1．2 SPM对高峰值功率脉冲传输的影响

4．2 受激拉曼散射(SRS)

4．2．1 SRS阈值理论模型

4．2．2 SRS阈值特性分析

4．3 受激布里渊散射(SBS)

4．3．1 SBS阈值理论模型

4．3．2 SBS阈值特性分析

4．4 高功率超短脉冲在掺Yb3+大模场光纤中的自相似传输放大

4．4．1 具有增益的NLSE方程的自相似解

4．4．2 自相似脉冲放大器设计标准

4．4．3 脉冲在光纤中自相似放大传输特性

4．5 本章小结

第五章 高功率大模场掺Yb3+光纤放大器的实验研究

5．1 实验设计方案分析

5．1．1 增益分布设计

5．1．2 能流分布设计及饱和抑制

5．1．3 泵浦光／信号光耦合技术

5．1．4 级间隔离技术与信噪比控制

5．1．5 非线性与损伤问题

5．2 实验光路设计

5．3 实验结果分析

5．3．1 ASE输出光谱特性

5．3．2 增益饱和特性

5．3．3 饱和放大特性

5．3．4 近场输出特性

5．4 本章小结

第六章 全文总结

致谢

参考文献

附录A：硕士论文期间完成的其他工作

附录B：攻读硕士学位期间发表论文、参加会议及获奖情况