大功率光纖激光器受激拉曼散射研究.pdf

1、隨著單鏈路連續(xù)寬譜光纖激光器輸出功率的不斷提升，受激拉曼散射效應(yīng)（SRS）成為限制其功率提升的主要因素。本文以大功率光纖激光器中的SRS效應(yīng)為研究對(duì)象，以提高光纖激光器的輸出功率為目標(biāo)，開(kāi)展了三個(gè)層面的研究。首先為了抑制大功率摻鐿光纖激光器中的SRS效應(yīng)，對(duì)其演變情況、影響因素及抑制方式進(jìn)行了系統(tǒng)研究；其次提出前向拉曼兼容光纖激光器設(shè)計(jì)方案，通過(guò)有效抑制后向拉曼散射，在摻鐿光纖激光器中同時(shí)利用拉曼增益，實(shí)現(xiàn)高功率激光輸出；最后研究如何單

2、獨(dú)利用光纖中的拉曼增益實(shí)現(xiàn)高功率、高效率及高亮度的激光輸出。論文主要內(nèi)容如下：
　　1．對(duì)大功率連續(xù)摻鐿光纖激光器中的SRS效應(yīng)開(kāi)展了系統(tǒng)研究。首先，采用小信號(hào)增益法和解調(diào)法分別對(duì)傳能被動(dòng)光纖和摻鐿主動(dòng)光纖的拉曼增益譜進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)測(cè)量，為不同種類(lèi)光纖拉曼增益系數(shù)的測(cè)量提供了可行方案，也為激光器中光纖的選型和數(shù)值模擬中參數(shù)的取值提供了依據(jù)。其次，基于摻鐿光纖激光器的穩(wěn)態(tài)速率方程組及光纖中SRS效應(yīng)的耦合方程組，分別建立了含有拉曼散射效

3、應(yīng)的摻鐿光纖振蕩器與放大器理論模型并進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。最后，數(shù)值仿真了2 kW光纖振蕩器及大功率同帶泵浦光纖放大器中SRS效應(yīng)。結(jié)果表明，當(dāng)光纖激光器運(yùn)行在時(shí)序穩(wěn)定的狀態(tài)時(shí)，功率達(dá)到SRS閾值后光纖中將產(chǎn)生前向和后向傳輸?shù)睦⑸涔猓仪昂笙蚶⑸涔獾墓β氏喈?dāng)；在全光纖主振蕩功率放大（MOPA）結(jié)構(gòu)的光纖激光器系統(tǒng)中，放大器中激發(fā)的后向拉曼散射光一旦進(jìn)入光纖振蕩器中將被進(jìn)一步放大，從而導(dǎo)致振蕩器的輸出光功率下降，甚至損壞振蕩器，因此后向

4、拉曼散射成為制約連續(xù)光纖激光器功率提升的主要限制因素。
　　2．研究了自脈沖現(xiàn)象對(duì)連續(xù)摻鐿光纖激光器中 SRS效應(yīng)的影響。介紹了連續(xù)光纖振蕩器輸出光中自脈沖現(xiàn)象的特點(diǎn)、產(chǎn)生機(jī)理與抑制方法。結(jié)合摻鐿光纖激光器的瞬態(tài)速率方程組與光纖中 SRS效應(yīng)的耦合方程組，建立了含激光時(shí)序特性和拉曼散射效應(yīng)的摻鐿光纖放大器數(shù)學(xué)模型。數(shù)值模擬結(jié)果表明，由于 SRS效應(yīng)的瞬時(shí)特性，種子光中的自脈沖會(huì)使光纖放大器中信號(hào)光的功率往前向拉曼散射光中轉(zhuǎn)移，而對(duì)

5、后向拉曼散射的貢獻(xiàn)較小。實(shí)驗(yàn)搭建了自脈沖含量不同的種子光源，分別將其注入同一個(gè)光纖放大器中，研究自脈沖含量對(duì)放大器 SRS閾值及功率提升的影響。結(jié)果表明，自脈沖的存在使得放大器中激發(fā)的前向拉曼散射光功率遠(yuǎn)大于后向拉曼散射光功率；且種子光中自脈沖含量越大，光纖放大器中前向 SRS閾值越低，無(wú) SRS效應(yīng)時(shí)的最高輸出功率也越低。分析了3 kW量級(jí)光纖激光器中自脈沖現(xiàn)象對(duì)SRS效應(yīng)及功率提升的影響。研究表明，自脈沖現(xiàn)象的存在降低了大功率光纖激

6、光器中 SRS效應(yīng)的閾值，成為實(shí)際工程中制約激光器功率提升的主要因素。
　　3．提出了前向拉曼兼容型摻鐿光纖激光器設(shè)計(jì)方案，并對(duì)此激光器中的功率分布情況、后向光抑制方法及功率提升情況進(jìn)行了系統(tǒng)研究。針對(duì)連續(xù)光纖激光器中的自脈沖現(xiàn)象導(dǎo)致前向拉曼散射光功率遠(yuǎn)大于后向拉曼散射光情況，提出了前向拉曼兼容的光纖激光方案，在允許前向拉曼散射光的存在前提下，分析系統(tǒng)對(duì)后向拉曼散射光的容忍度。實(shí)驗(yàn)中通過(guò)在摻鐿光纖放大器系統(tǒng)中注入前向拉曼種子光的方

7、法，綜合利用光纖中的鐿離子增益與拉曼增益，實(shí)現(xiàn)了信號(hào)光功率往前向拉曼光轉(zhuǎn)移，有效抑制了系統(tǒng)中后向拉曼散射。設(shè)計(jì)了大功率前向拉曼兼容的同帶泵浦光纖激光方案，理論分析了自脈沖現(xiàn)象和前向拉曼輔助信號(hào)光對(duì)激光器最高輸出功率的影響。結(jié)果表明，采用注入前向拉曼種子光的方式，綜合利用光纖中的鐿離子增益與拉曼增益，提高了 SRS效應(yīng)限制下光纖激光器的最高輸出功率。
　　4．對(duì)光纖拉曼放大器中的轉(zhuǎn)換效率和亮度提升開(kāi)展研究。首先，在纖芯泵浦條件下，對(duì)

8、比研究了階躍折射率和漸變折射率多模光纖中 SRS效應(yīng)對(duì)功率轉(zhuǎn)移和激光亮度提升的影響。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，受限于泵浦激光的脈沖形狀特性，兩種情況下的功率轉(zhuǎn)換效率均較低，但漸變折射率多模光纖中的SRS效應(yīng)具有光束凈化作用，而階躍折射率多模光纖中的SRS效應(yīng)不具有此效應(yīng)。其次，對(duì)包層泵浦的拉曼光纖激光器進(jìn)行了理論分析與實(shí)驗(yàn)研究。通過(guò)設(shè)計(jì)和制備纖芯折射率特殊分布的雙包層拉曼光纖，利用其在包層泵浦拉曼光纖放大器中實(shí)現(xiàn)了信號(hào)光光束質(zhì)量的改善，但受限于泵浦