環(huán)形復(fù)合腔被動(dòng)鎖相脈沖光纖激光相干合成技術(shù)研究.pdf

1、脈沖光纖激光系統(tǒng)的除了具有光束質(zhì)量好、轉(zhuǎn)換效率高、熱管理方便、結(jié)構(gòu)緊湊等優(yōu)勢(shì)之外，還有脈沖峰值功率高、單脈沖能量大、可調(diào)范圍廣、光譜范圍寬等特點(diǎn)，在工業(yè)加工、通信、醫(yī)療和科研等多個(gè)領(lǐng)域都有廣泛應(yīng)用。輸出高亮度脈沖激光是光纖激光研究領(lǐng)域的熱點(diǎn)和難點(diǎn)，但受到非線性效應(yīng)、熱透鏡效應(yīng)、泵浦亮度和熱損傷等物理的限制，單路脈沖光纖激光的輸出功率受限。為了獲得更高功率的脈沖激光輸出，一種方法是通過大模場(chǎng)特種光纖設(shè)計(jì)和非線性效應(yīng)抑制等手段提高單路激光輸

2、出功率；另一種方法是進(jìn)行多路相干合成，在提升輸出功率的同時(shí)保持高光束質(zhì)量。本論文圍繞提高脈沖光纖激光的輸出功率，對(duì)多種合成方案進(jìn)行比較分析，將環(huán)形復(fù)合腔被動(dòng)鎖相脈沖光纖激光相干合成作為研究對(duì)象進(jìn)行理論與實(shí)驗(yàn)研究，主要內(nèi)容如下：
　　首先，實(shí)驗(yàn)研究了調(diào)Q脈沖光纖激光的輸出特性。設(shè)計(jì)并搭建一臺(tái)聲光調(diào)Q高峰值功率全光纖摻Y(jié)b3+脈沖激光系統(tǒng)，在重復(fù)頻率百Hz～MHz、脈沖寬度ns～μs范圍內(nèi)連續(xù)可調(diào)，在重復(fù)頻率100Hz時(shí)，輸出峰值功率

3、可達(dá)10kW。實(shí)驗(yàn)研究了在高峰值功率下激光輸出的非線性效應(yīng)演變過程，先出現(xiàn)級(jí)聯(lián)拉曼譜線，越過零色散點(diǎn)后轉(zhuǎn)化為超連續(xù)譜，最后得到脈沖激光進(jìn)行后續(xù)合成實(shí)驗(yàn)的安全參數(shù)。
　　第四，進(jìn)一步研究利用環(huán)形復(fù)合腔結(jié)構(gòu)提高光纖脈沖激光輸出功率的技術(shù)路線，提出提高脈沖激光輸出功率的“三混合”被動(dòng)鎖相相干合成方案，并對(duì)脈沖光和連續(xù)光混合相干合成的理論和實(shí)驗(yàn)進(jìn)行具體研究。理論上分析了脈沖光和連
　　其次，從激光的半經(jīng)典理論出發(fā)，對(duì)環(huán)形復(fù)合腔的動(dòng)力

4、學(xué)特性進(jìn)行分析，理論上分析了環(huán)形復(fù)合腔的相位差特性和偏振自選擇特性。分析討論環(huán)形復(fù)合腔多路鎖相輸出中的游標(biāo)效應(yīng)和最小公倍數(shù)特征，分析了腔長(zhǎng)差和波長(zhǎng)范圍對(duì)鎖相的影響，合成路數(shù)對(duì)合成效率的影響，研究了帶寬對(duì)環(huán)形復(fù)合腔自組織鎖相特性的影響。環(huán)形復(fù)合腔可以等效為多個(gè)方向耦合器的級(jí)聯(lián)疊加，在多路鎖相狀態(tài)下，環(huán)形復(fù)合腔閾值隨路數(shù)增加而降低，泵浦激光轉(zhuǎn)化效率變高。
　　第三，分別采用全光纖結(jié)構(gòu)和偏振耦合結(jié)構(gòu)對(duì)環(huán)形復(fù)合腔理論進(jìn)行實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。研究了兩

5、種腔型的鎖相特點(diǎn)和輸出特性，實(shí)驗(yàn)研究表明單孔徑輸出能夠保持單模激光近衍射極限的光束質(zhì)量。在帶寬允許的情況下，環(huán)形復(fù)合腔具有較強(qiáng)自組織鎖相能力和良好的路數(shù)可拓展性，而鎖相路數(shù)的增加會(huì)使輸出譜寬收窄。對(duì)環(huán)形復(fù)合腔結(jié)構(gòu)通過強(qiáng)度調(diào)制可輸出平頂脈沖，能降低脈沖峰值功率，減輕脈沖光纖激光SRS效應(yīng)的影響。研究了單孔徑的功率拓展，認(rèn)為限制因素為最后一級(jí)耦合器件的承受功率。續(xù)光共腔運(yùn)轉(zhuǎn)的增益競(jìng)爭(zhēng)特性，通過對(duì)功率合成結(jié)構(gòu)和環(huán)形復(fù)合腔合成結(jié)構(gòu)的比較，發(fā)現(xiàn)環(huán)

6、形復(fù)合腔結(jié)構(gòu)能實(shí)現(xiàn)脈沖光和連續(xù)混合光的實(shí)時(shí)相干合成，保持良好的光束質(zhì)量?；旌瞎夥椒蓪⒁徊糠指叻逯倒β实拿}沖光變成連續(xù)光，從而降低了脈沖峰值功率，而且混合光在環(huán)形復(fù)合腔結(jié)構(gòu)中也可以實(shí)現(xiàn)平頂脈沖的輸出，有利于克服SRS的限制，從而提高輸出總功率。通過強(qiáng)度調(diào)制可以連續(xù)地調(diào)整混合比，由輸出混合光的波形可以計(jì)算出混合光的混合比?；旌瞎饨?jīng)過放大后，因輸入混合比的不同有不同的增益比例，不同的重頻和占空比有不同的增益競(jìng)爭(zhēng)結(jié)果，混合比中小量的部分能得到