多芯光纖激光器及新波長(zhǎng)固體激光器.pdf

1、本論文研究?jī)?nèi)容包括兩部分，一部分是多芯光纖激光器的理論研究；另一部分是摻釹釓鎵石榴石(Nd：GGG)晶體激光器在新波長(zhǎng)運(yùn)轉(zhuǎn)的實(shí)驗(yàn)研究。隨著高功率光纖激光器的應(yīng)用范圍逐漸從光通信領(lǐng)域擴(kuò)展到機(jī)械加工、材料處理、激光醫(yī)療、熱核聚變、航空和軍事等行業(yè)，百瓦乃至千瓦量級(jí)高功率光纖激光器成為當(dāng)今光電子技術(shù)研究領(lǐng)域中最炙手可熱的研究課題。但是由于非線性效應(yīng)、放大自發(fā)輻射及熱損傷閾值等因素的限制，傳統(tǒng)單根光纖激光器的輸出功率受到限制。因此科學(xué)家們采用雙

2、包層泵浦技術(shù)、光子晶體光纖、光纖激光器相干組束等多種方案，來提高光纖激光器的輸出功率。而多芯光纖是最近提出的一種新的相干合成解決方案，同時(shí)滿足高激光功率輸出、穩(wěn)定的位相鎖定和高的光束質(zhì)量，是實(shí)現(xiàn)高功率光纖激光器的最佳方案。
　　 開拓新波段以適應(yīng)各種應(yīng)用需求一直是晶體激光器的重要研究方向。摻釹釓鎵石榴石(Nd：GGG)晶體與其他摻釹晶體相比，具有優(yōu)良的激光性能和物理化學(xué)性能，已經(jīng)在大功率熱容激光器和LD泵浦激光器中得到廣泛應(yīng)用。

3、目前已報(bào)道的Nd：GGG晶體激光器輸出波長(zhǎng)一般為1062 nm，1331 nm和938 nm。
　　 目前1110 nm激光主要由摻鐿光纖激光器獲得，應(yīng)用于通信、機(jī)械加工等領(lǐng)域。1110 nm激光可以作為產(chǎn)生諧波的光源，倍頻產(chǎn)生555 nm的黃綠光，位于人眼最敏感波長(zhǎng)，在醫(yī)療、生物檢測(cè)分析等方面有重要應(yīng)用。
　　 本論文研究?jī)?nèi)容可概括為兩個(gè)方面：一方面是關(guān)于多芯光纖中超模傳導(dǎo)特性，超模選擇，及多芯光纖激光器的理論研究，另

4、一方面是摻釹釓鎵石榴石(Nd：GGG)晶體激光性能的研究，對(duì)其在新波長(zhǎng)1110 nm附近的輸出特性進(jìn)行實(shí)驗(yàn)研究和分析。
　　 本論文主要研究?jī)?nèi)容包括：
　　 1.理論推導(dǎo)獲得多芯光纖中的耦合模方程，并計(jì)算和分析三芯、四芯、六芯和七芯光纖中的超模特性，獲得各個(gè)超模的近場(chǎng)和遠(yuǎn)場(chǎng)強(qiáng)度分布。計(jì)算各個(gè)超模的衍射及傳輸特性時(shí)，分別采用M2因子和桶中功率(PIB)來衡量其光束質(zhì)量。通過比較可以得出在任意多芯光纖中，同相位超?？偸蔷哂凶?/p>

5、大的傳播常數(shù)和最好的光束質(zhì)量，其遠(yuǎn)場(chǎng)強(qiáng)度分布為準(zhǔn)高斯分布。桶中功率(PIB)的計(jì)算在非連續(xù)模場(chǎng)分析中得到更好的應(yīng)用。解析的耦合模理論適用于任何符合弱耦合的多芯光纖，與數(shù)值法相比更加直觀。
　　 2.以三芯、四芯、六芯和七芯光纖為例，分別對(duì)環(huán)型、有心型多芯光纖中各個(gè)超模與單模光纖中的基模的耦合效率進(jìn)行討論。在單模光纖纖芯半徑和兩種光纖之間的間隙距離均為變量的情況下，對(duì)不同類型多芯光纖中的各個(gè)超模和單模光纖基模之間的耦合效率進(jìn)行分析

6、和優(yōu)化，理論結(jié)果表明由于環(huán)型和有心型光纖中超模分布的不同特性，其與單模光纖中基模的耦合呈現(xiàn)出不同特點(diǎn)。為兩種光纖的耦合連接提供了理論依據(jù)。
　　 3.基于三芯、四芯、六芯和七芯光纖中耦合效率的分析，提出一種新型選模機(jī)制，即利用單模光纖進(jìn)行選模。提出利用耦合效率差來衡量不同機(jī)制中同相位超模的選擇效率，優(yōu)化后與傳統(tǒng)塔爾伯特腔進(jìn)行比較，證明單模光纖選模機(jī)制對(duì)環(huán)型和有心型多芯光纖中同相位超模的選擇均具有優(yōu)越性和靈活性，在實(shí)際應(yīng)用中具有很

7、大潛力。
　　 4.建立速率方程，以環(huán)形六芯光纖和有心型七芯光纖為例，對(duì)基于單模光纖選模機(jī)制的多芯光纖激光器進(jìn)行理論模擬，獲得信號(hào)光的功率傳輸和輸出特性。單模光纖選模為求解速率方程提供邊值條件，因此系統(tǒng)中耦合效率的變化將引起信號(hào)光輸出功率的變化。模擬結(jié)果顯示信號(hào)光輸出和耦合效率成正比，同相位超模輸出功率在總輸出功率中所占比例與耦合效率差幾乎成正比，因此驗(yàn)證了采用耦合效率差來衡量同相位超模選擇效率的合理性。理論模擬顯示基于單模光纖

8、選模機(jī)制的六芯和七芯光纖激光器可以獲得較高的光一光轉(zhuǎn)換效率，優(yōu)化后均可以實(shí)現(xiàn)同相位超模的單模輸出，該研究為高功率高亮度的多芯光纖激光器的實(shí)現(xiàn)提供了理論基礎(chǔ)。
　　 5.對(duì)摻釹釓鎵石榴石(Nd：GGG)晶體的激光性能進(jìn)行研究，獲得1110 nm激光輸出。實(shí)驗(yàn)過程中獲得LD側(cè)泵 Nd：GGG晶體激光器1110 nm和1105 nm雙波長(zhǎng)連續(xù)運(yùn)轉(zhuǎn)，兩種波長(zhǎng)之間存在競(jìng)爭(zhēng)。采取在諧振腔中插入另外一片平面鏡的方法，可以成功地將1110 nm

9、選擇出來。該平面鏡對(duì)1110 nm，1105 nm及808 nm均高透，通過微調(diào)其相對(duì)激光方向的角度，可以改變不同波長(zhǎng)處的腔內(nèi)損耗，從而抑制1105 nm的振蕩，實(shí)現(xiàn)1110nm單波長(zhǎng)運(yùn)轉(zhuǎn)。
　　 本論文主要?jiǎng)?chuàng)新點(diǎn)如下：
　　 1.以耦合模理論和基爾霍夫衍射理論為基礎(chǔ)，首次對(duì)環(huán)型三芯、六芯和有心型四芯、七芯光纖中的各個(gè)超模的近場(chǎng)及遠(yuǎn)場(chǎng)特性做了系統(tǒng)分析和比較，并采用M2因子和桶中功率(PIB)兩種不同參數(shù)理論計(jì)算各個(gè)超模的

10、光束質(zhì)量因子，證明同相位超模的光束質(zhì)量明顯高于其他超模。所建立的完整理論模型，可以用來對(duì)任何滿足弱耦合條件的多芯光纖進(jìn)行完善的模場(chǎng)分析。
　　 2.首次對(duì)單模光纖和多芯光纖之間的模式耦合效率進(jìn)行系統(tǒng)的分析和優(yōu)化。通過調(diào)節(jié)單模光纖纖芯尺寸和兩者之間的間隙距離，對(duì)耦合效率和耦合效率差進(jìn)行理論優(yōu)化，并展示了不同類型多芯光纖與單模光纖之間耦合的不同特點(diǎn)。理論模擬結(jié)果為實(shí)際實(shí)驗(yàn)操作過程中光纖之間的耦合提供詳細(xì)可靠的參考依據(jù)。
　　

11、 3.首次提出利用單模光纖對(duì)多芯光纖進(jìn)行選模，在單模光纖選模機(jī)制下對(duì)兩類光纖與單模光纖之間的耦合特性進(jìn)行優(yōu)化和比較，證明單模光纖選?？梢酝耆种骗h(huán)型多芯光纖中的高階超模，同時(shí)可以抑制有心型多芯光纖中除同相位超模和反相位超模以外的高階超模。提出使用耦合效率差來衡量同相位超模的選擇效率，通過與塔爾伯特腔比較，單模光纖對(duì)同相位超模的選擇效率可以提高一倍以上，從而證明單模光纖選模機(jī)制的有效性和優(yōu)越性。
　　 4.首次從理論上獲得單模輸出

12、的基于單模光纖選模機(jī)制的全光纖多芯光纖激光器?；谒俾史匠汤碚?，對(duì)單模光纖選模環(huán)型六芯光纖和有心型七芯光纖激光器進(jìn)行理論模擬，證明此種機(jī)制下，信號(hào)光輸出功率與耦合效率的大小成正比，而同相位超模在總輸出功率中所占比例幾乎與耦合效率差成正比，從而證明采用耦合效率差衡量同相位超模選模機(jī)制的科學(xué)性。優(yōu)化后均可以得到同相位超模的單模輸出，從而為實(shí)現(xiàn)高功率高亮度的全光纖多芯光纖激光器提供了理論依據(jù)。
　　 5.首次實(shí)驗(yàn)獲得LD側(cè)泵Nd：GG