環(huán)形復合腔被動鎖相脈沖光纖激光相干合成技術研究.pdf

1、脈沖光纖激光系統(tǒng)的除了具有光束質量好、轉換效率高、熱管理方便、結構緊湊等優(yōu)勢之外，還有脈沖峰值功率高、單脈沖能量大、可調范圍廣、光譜范圍寬等特點，在工業(yè)加工、通信、醫(yī)療和科研等多個領域都有廣泛應用。輸出高亮度脈沖激光是光纖激光研究領域的熱點和難點，但受到非線性效應、熱透鏡效應、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特種光纖設計和非線性效應抑制等手段提高單路激光輸

2、出功率；另一種方法是進行多路相干合成，在提升輸出功率的同時保持高光束質量。本論文圍繞提高脈沖光纖激光的輸出功率，對多種合成方案進行比較分析，將環(huán)形復合腔被動鎖相脈沖光纖激光相干合成作為研究對象進行理論與實驗研究，主要內容如下：
　　首先，實驗研究了調Q脈沖光纖激光的輸出特性。設計并搭建一臺聲光調Q高峰值功率全光纖摻Yb3+脈沖激光系統(tǒng)，在重復頻率百Hz～MHz、脈沖寬度ns～μs范圍內連續(xù)可調，在重復頻率100Hz時，輸出峰值功率

3、可達10kW。實驗研究了在高峰值功率下激光輸出的非線性效應演變過程，先出現(xiàn)級聯(lián)拉曼譜線，越過零色散點后轉化為超連續(xù)譜，最后得到脈沖激光進行后續(xù)合成實驗的安全參數(shù)。
　　第四，進一步研究利用環(huán)形復合腔結構提高光纖脈沖激光輸出功率的技術路線，提出提高脈沖激光輸出功率的“三混合”被動鎖相相干合成方案，并對脈沖光和連續(xù)光混合相干合成的理論和實驗進行具體研究。理論上分析了脈沖光和連
　　其次，從激光的半經典理論出發(fā)，對環(huán)形復合腔的動力

4、學特性進行分析，理論上分析了環(huán)形復合腔的相位差特性和偏振自選擇特性。分析討論環(huán)形復合腔多路鎖相輸出中的游標效應和最小公倍數(shù)特征，分析了腔長差和波長范圍對鎖相的影響，合成路數(shù)對合成效率的影響，研究了帶寬對環(huán)形復合腔自組織鎖相特性的影響。環(huán)形復合腔可以等效為多個方向耦合器的級聯(lián)疊加，在多路鎖相狀態(tài)下，環(huán)形復合腔閾值隨路數(shù)增加而降低，泵浦激光轉化效率變高。
　　第三，分別采用全光纖結構和偏振耦合結構對環(huán)形復合腔理論進行實驗驗證。研究了兩

5、種腔型的鎖相特點和輸出特性，實驗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量。在帶寬允許的情況下，環(huán)形復合腔具有較強自組織鎖相能力和良好的路數(shù)可拓展性，而鎖相路數(shù)的增加會使輸出譜寬收窄。對環(huán)形復合腔結構通過強度調制可輸出平頂脈沖，能降低脈沖峰值功率，減輕脈沖光纖激光SRS效應的影響。研究了單孔徑的功率拓展，認為限制因素為最后一級耦合器件的承受功率。續(xù)光共腔運轉的增益競爭特性，通過對功率合成結構和環(huán)形復合腔合成結構的比較，發(fā)現(xiàn)環(huán)

6、形復合腔結構能實現(xiàn)脈沖光和連續(xù)混合光的實時相干合成，保持良好的光束質量?；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)形復合腔結構中也可以實現(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。通過強度調制可以連續(xù)地調整混合比，由輸出混合光的波形可以計算出混合光的混合比?；旌瞎饨涍^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爭結果，混合比中小量的部分能得到