高平均功率光纖脈沖激光技術(shù)研究.pdf

1、1961年,世界上第一臺(tái)激光器發(fā)明,激光技術(shù)由此飛速發(fā)展。激光器的種類由工作的物質(zhì)的不同可分為固體激光器、氣體激光器、染料激光器等。光纖激光器作為一種新型的固體激光器,與傳統(tǒng)的固體激光器相比較,以光纖波導(dǎo)為工作介質(zhì)的光纖激光器具有光束質(zhì)量好、轉(zhuǎn)換效率高、便于熱管理和結(jié)構(gòu)緊湊、使用輕便靈活等等許多優(yōu)點(diǎn),在工業(yè)加工、激光醫(yī)療、科學(xué)研究和軍事國(guó)防等領(lǐng)域具有廣泛應(yīng)用。目前,國(guó)際上單根連續(xù)光纖激光器的輸出功率已經(jīng)達(dá)到萬瓦水平。但是Dawson等人

2、的研究分析認(rèn)為,按照目前的材料和條件,對(duì)于寬帶光纖激光器,輸出衍射極限激光的功率上限為36.6kW,對(duì)于窄帶寬光纖激光器,輸出上限則是18.6kW。采用脈沖工作方式的光纖激光器可實(shí)現(xiàn)極高峰值功率的激光輸出,在激光與靶目標(biāo)相互作用、非線性頻率轉(zhuǎn)化等應(yīng)用方面彌補(bǔ)了連續(xù)光纖激光的諸多局限,是高功率光纖激光技術(shù)領(lǐng)域的一個(gè)重要研究方向。本文主要對(duì)窄光譜寬度的脈沖光纖激光器、高平均功率光纖放大器及其倍頻技術(shù)進(jìn)行了詳細(xì)的實(shí)驗(yàn)研究。
　　第一章對(duì)

3、摻Y(jié)b3+雙包層光纖進(jìn)行了簡(jiǎn)單介紹。重點(diǎn)分析了光纖激光獲得脈沖激光輸出的三種主要方法:調(diào)Q技術(shù),鎖模技術(shù),種子光主振蕩-放大(MOPA)技術(shù),并給出了國(guó)內(nèi)外研究機(jī)構(gòu)的一些典型研究成果。介紹了光纖激光倍頻技術(shù)的典型結(jié)構(gòu)和實(shí)驗(yàn)結(jié)果。
　　第二章對(duì)基于摻Sm3+光纖可飽和吸收特性的被動(dòng)調(diào)Q光纖激光技術(shù)進(jìn)行了理論和實(shí)驗(yàn)研究。首先分析了被動(dòng)調(diào)Q激光器的基本理論,并介紹了全光纖化被動(dòng)調(diào)Q光纖激光器的關(guān)鍵技術(shù)及核心部件。實(shí)驗(yàn)研究了以摻Sm3+光

4、纖作為可飽和吸收體全光纖化被動(dòng)調(diào)Q脈沖光纖激光器技術(shù),采用三種腔結(jié)構(gòu),分別實(shí)現(xiàn)了激光波長(zhǎng)1064nm平均功率2.3W,脈沖寬度450ns,重復(fù)頻率18kHz;激光波長(zhǎng)1080nm平均功率2.26W,脈沖寬度648ns,重復(fù)頻率310kHz;激光波長(zhǎng)1080nm平均功率1.93W,脈沖寬度816ns,重復(fù)頻率212kHz的典型實(shí)驗(yàn)結(jié)果。
　　第三章主要研究了全光纖化的高平均功率脈沖光纖放大器技術(shù),采用電流直接調(diào)制的半導(dǎo)體激光器為種子

5、光源,通過摻Y(jié)b3+光纖級(jí)聯(lián)放大(MOPA)結(jié)構(gòu),獲得了平均功率101W,脈沖寬度16.7ns,重復(fù)頻率51kHz的高平均功率脈沖激光輸出。采用被動(dòng)鎖模的皮秒級(jí)光纖激光器為種子光源,通過一級(jí)光纖放大器,成功獲得了平均功率102W,脈沖寬度76ps,重復(fù)頻率18.6MHz,中心波長(zhǎng)1064nm,光譜半高寬度僅為0.16nm的激光輸出。利用高平均功率的皮秒級(jí)脈沖光纖激光器,初步開展了激光精細(xì)加工的實(shí)驗(yàn)研究。
　　第四章主要對(duì)脈沖光纖激

6、光器的倍頻技術(shù)進(jìn)行了理論和實(shí)驗(yàn)研究,首先介紹了非線性頻率轉(zhuǎn)換的基本理論以及實(shí)現(xiàn)相位匹配的方法,分析了激光光譜寬度對(duì)倍頻轉(zhuǎn)換效率的影響。建立了以窄譜寬聲光調(diào)Q光纖激光器為種子光源,以保偏摻Y(jié)b3+雙包層光纖為放大器的脈沖光纖放大系統(tǒng),得到了15W的窄譜寬線偏振的脈沖激光輸出。采用非臨界相位匹配的KTP晶體為倍頻元件,通過腔外單通倍頻,在基頻光為13.7W時(shí)獲得了3.5W的540nm的脈沖綠光激光輸出。
　　本工作的創(chuàng)新點(diǎn)有:(1)對(duì)

7、于摻Sm3+光纖作為可飽和吸收體的全光纖脈沖激光器,分別實(shí)驗(yàn)研究了單、雙腔結(jié)構(gòu)的激光系統(tǒng),并均得到了穩(wěn)定的脈沖輸出,并對(duì)其輸出特性進(jìn)行了分析;(2)實(shí)現(xiàn)了納秒級(jí)全光纖激光器的工程化樣機(jī)的裝配;(3)采用一級(jí)MOPA結(jié)構(gòu),試驗(yàn)成功了102W高平均功率窄譜寬皮秒脈沖全光纖激光系統(tǒng),并應(yīng)用這套系統(tǒng)進(jìn)行了工業(yè)加工實(shí)驗(yàn)。(4)使用非臨界相位匹配的KTP晶體,對(duì)光纖輸出的窄譜寬高平均功率線偏振納秒級(jí)脈沖激光進(jìn)行了倍頻實(shí)驗(yàn),光-光轉(zhuǎn)化效率達(dá)25.5％