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高功率光纤激光器中自脉冲效应的产生及其抑制研究

【摘要】:光纤激光器具有亮度高、结构紧凑、稳定性好和热管理方便等突出优势,近年来,在工业、国防和医疗等领域获得了日益广泛的应用。目前连续光纤激光系统的输出激光中普遍存在自脉冲效应,即在无调制器件的连续光纤激光器输出激光中出现随机大幅振荡脉冲序列的现象。自脉冲效应将会导致光纤激光器的非线性效应阈值降低、输出稳定性下降,制约了光纤激光器输出性能的提升。目前,关于自脉冲效应的研究较少,特别是自锁模脉冲(SML)尚没有完备的产生机理和可行的抑制方案。为此,本论文将对连续掺镱光纤激光器中自脉冲效应的形成机理与抑制方法展开全面的理论分析和实验研究,主要内容包括。一、光纤振荡器中自脉冲效应产生机理的理论分析与实验研究1.1光纤振荡器中自锁模脉冲产生机理与强度表征首先,利用非线性薛定谔方程,并结合纵模叠加的研究思路,建立了多纵模稳态运转光纤激光器输出时序的理论模型;其次,设计了解析微扰数值算法,对光纤振荡器中自脉冲的形成机理进行了数值仿真,首次从理论上揭示了光纤振荡器内多纵模叠加形成自锁模脉冲的物理过程;最后,针对光纤振荡器中自脉冲强度分布的时域特征,首次提出采用输出时序的归一化极差、归一化标准差和概率密度分布来表征自脉冲的强度特性,并且指出自脉冲时序的测量结果与实际时序存在明显差异,但测量结果能够表征实际时序中引起非线性效应的关键因素。1.2光纤振荡器参数对自脉冲效应影响的数值仿真和实验研究首先,对光纤振荡器中影响自脉冲的关键参数进行了数值模拟,仿真结果表明:增加光纤振荡器的输出激光线宽和输出功率可以改善振荡器输出的时域稳定性,降低输出激光的自脉冲强度;在一定范围内改变光纤振荡器的腔长则对输出激光的时域稳定性影响较小,仅会改变SML中脉冲的间隔。其次,利用自行制备的不同类型光纤光栅,搭建了光纤振荡器参数对自脉冲影响的实验研究平台,开展了光纤振荡器的腔长、输出光纤光栅(OC-FBG)反射带宽、输出功率对输出激光自脉冲影响的实验研究。实验结果表明:当OC-FBG反射带宽由0.05nm增至0.23nm时,光纤振荡器输出时序的自脉冲强度降幅超过70%;增加输出功率可以抑制自脉冲效应,但抑制效果存在饱和现象;当振荡器腔长从6.5m缩短至1.2m后,自脉冲效应的强度和出现强脉冲的概率几乎没有改变,仅缩短了SML脉冲的间隔。实验结果与数值仿真结果吻合较好,验证了本文提出的自脉冲效应形成机理和理论模型的正确性,为后面设计光纤激光器自脉冲抑制方案提供了理论工具与设计思路。二、光纤振荡器中自脉冲效应抑制技术的数值仿真与实验研究2.1基于输出光纤光栅光谱整形的自脉冲抑制研究通过理论分析和数值模拟,首次提出了基于OC-FBG光谱整形的自脉冲抑制方案。设计并制备了宽带平顶低反光纤光栅、反射率直角调制低反光纤光栅和啁啾波纹低反光纤光栅3种具备特殊反射谱形的光谱整形OC-FBG,搭建了50W量级10/130μm光纤振荡器自脉冲抑制研究平台。实验结果表明,相比于常规的OC-FBG,3种光谱整形OC-FBG均实现了自脉冲强度和强脉冲出现概率的大幅降低,其中采用啁啾波纹低反光纤光栅的光纤振荡器自脉冲强度和强脉冲出现概率降幅分别达到75%和99%。在此基础上,对该自脉冲抑制技术应用于受激拉曼散射效应的抑制开展了拓展实验研究。应用3种光谱整形输出光纤光栅,在长腔光纤振荡器中显著降低了受激拉曼散射效应,在最高输出功率66.2W时,输出激光中受激拉曼散射成分抑制幅度均超过15dB。2.2基于腔外反馈的高功率光纤振荡器自脉冲抑制研究通过分析自脉冲效应产生机理,提出并仿真验证了基于腔外反馈的全光纤结构自脉冲抑制方案。开展了50W量级10/130μm光纤振荡器自脉冲抑制实验研究,通过低反光纤光栅在谐振腔外引入反馈,完全抑制了输出时序中SSP自脉冲,并大幅降低SML自脉冲的强度,特别是在振荡器输出时域稳定性较差时展现出了显著的抑制效果,自脉冲强度降幅最大可达91%。在此基础上,开展了腔外反馈自脉冲抑制技术的高功率应用研究,在500W量级20/400μm光纤振荡器中有效改善了所有泵浦条件下输出激光的时域稳定性,自脉冲强度和强脉冲出现概率的最大降幅分别可以达到50%与97%,实现了最高输出功率达到486W的高时域稳定性的连续激光输出。

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