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高功率2微米掺铥光纤激光器及其动力学特性研究

【摘要】:1960年,人类成功发明了第一台固体激光器。1961年,人们提出并成功搭建了第一台光纤激光器。作为固体激光器的一种特殊形式,光纤激光器具有结构紧凑、转换效率高、光束质量好、散热性好等优点。因此,光纤激光器受到来自世界各地科研工作者的广泛关注和深入研究,成为了一类十分有发展前景的激光光源,其发展方向主要有高功率、窄线宽、短脉冲、中红外等。掺铥光纤激光器输出激光波长在2μm附近,此波段位于水的吸收峰、人眼安全波段、大气窗口等,故在材料加工、生物医学、大气遥感、激光雷达、科学研究等诸多领域有着广泛的应用。因此,2μm掺铥光纤激光器得到了人们的广泛关注,同时成为了国际上的研究热点。近年来,高功率2μm掺铥光纤激光器发展迅速并取得了很大成果:在连续激光输出方面,激光输出达到千瓦量级;在脉冲激光输出方面,皮秒脉冲激光输出达到百瓦量级,飞秒脉冲激光输出放大也达到百瓦量级,但是这些皮秒和飞秒脉冲的单脉冲能量均不高。目前在高功率2μm光纤激光器的研究过程中,面临的主要问题是热效应及非线性效应。解决这些问题可以从优化泵浦方案、增加光纤模场面积等方面来入手。本论文内容主要从这两方面进行考虑,通过理论与实验相结合的研究办法,旨在形成一套完备的理论和成熟的技术来实现2μm波段的高功率连续激光输出和高单脉冲能量脉冲激光输出,推动高功率2μm掺铥光纤激光器发展。本论文的研究工作和主要成果有:1.在2μm激光领域,提出一种新型级联泵浦技术(~1900nm→~1940nm→~2020nm),即先获得中心波长在1900nm附近的激光;以~1900nm激光作为泵浦光,再获得中心波长在1940nm附近的激光;以~1940nm激光作为泵浦光,最终获得中心波长在2020nm附近的激光,分级实现2μm激光输出。这种新型级联泵浦技术在解决热效应问题方面有着明显优势:首先,有效的将激光器中热量分散在多级泵浦结构中,这必将有利于激光器中热量的管理控制;其次,每一级泵浦结构具有很高的斜效率和光转换效率,这意味着获得相同功率激光时产生更少的热量。当这种新型级联泵浦技术与包层泵浦技术共同使用时,必将进一步推动高功率2μm掺铥光纤激光器的发展。2.建立了掺铥光纤激光器采用不同泵浦方案时的理论模型和温度分布模型。利用这些模型研究在不同泵浦方案下掺铥光纤激光器的输出特性和温度分布。模拟得到在传统793nm泵浦方案(~793nm→~2020nm)、传统级联泵浦方案(~1900nm→~2020nm)、新型级联泵浦方案(~1900nm→~1940nm→~2020nm)中,掺铥光纤激光器在不受热量损坏前提下输出2μm激光最大功率分别为220W、4338W、5877W。从理论上证明了新型级联泵浦技术在获得高功率2μm激光方面的优势。3.以中心波长为1942nm的掺铥光纤激光器作为泵浦源,采用同向泵浦结构时,获得34.68W中心波长为2020nm的激光,激光器斜效率达到91.7%,光转换效率达到84.4%;采用反向泵浦结构时,获得35.15W中心波长为2020nm的激光,激光器斜效率达到92.4%,光转换效率达到86.3%。这是目前2μm掺铥光纤激光器中最高的斜效率。从实验上证明了新型级联泵浦技术在获得高功率2μm激光方面的优势。4.搭建了一台基于光纤光栅的双波长2μm光纤激光器,并通过改变激光腔的相关参数对激光器输出特性及其演化规律进行研究。实现了1942nm与2020nm双波长激光同时输出,每种波长激光功率均3瓦以上,二者之间的激光功率比在24.9%到237.6%范围内连续可调。5.搭建了一台基于阶跃折射率掺铥多模光纤的2μm锁模光纤激光器,通过调节锁模元件半导体可饱和吸收镜(SESAM),实现了多模孤子锁模,脉冲激光输出平均功率达到10W,单脉冲能量达到550nJ,脉冲宽度为30-40ps;研究了在不同输出功率下多模孤子的时空特性(即脉冲宽度和激光光斑大小)及其演化规律,并进行了合理的解释;同时观察到孤子吸引、光谱自调节、能量转移等现象。

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