阐释光纤大功率全光纤激光器及其关键器件技术

论文导读：率反引导光纤的模场37-312下一页
摘要：大功率全光纤激光器由光纤、泵浦耦合器和光纤光栅等元件组成，具有结构紧凑、性能稳定、转化效率高和光束质量好等优点，在材料加工、激光打标、生物医学、自由空间通信和国防安全等领域有广泛运用。近几年的探讨工作主要集中在提升泵浦耦合功率、减小增益光纤的光热损伤和非线性效应，和利用光束合成技术获得较高功率的激光输出方面。本论文主要以大功率全光纤激光器关键器件、大功率全光纤激光器和光纤激光阵列的光束合成三个方面进行了论述和实验方面的探讨。首先，在国内首次实验MOPA结构全光纤激光器实现了1000W连续功率输出。实验解决了全光纤元件的熔接、高阶模抑制和热管理方面的难题。激光器的光－光效率为62%，中心波长为1081nm，波谱宽度为2nm。其次，提出腔模互注入相位锁定技术，并利用该技术成功实验两大功率全光纤激光器的相位锁定。激光器阵列获得稳定的干涉条纹，干涉条纹可见度达46%，相干合成功率407W，合成效率高达98%。对2×2全光纤激光器阵列的部分相干合束进行了实验探讨，获得925W高功率部分相干合成输出。实验将全光纤激光器阵列分为两组,两组阵列元之间非相干,而组内两光纤激光器利用腔模互注入技术实现相位锁定。激光器阵列由全光纤元件组成，结构紧凑，性能稳定，在输出光束占空比为0.54时，获得BQ值约为1.95的高质量合成光束，实现泵浦光到激光部分相干输出57%的转换效率。此外，还对大功率全光纤激光器的关键器件，包括大模场光纤、大模光纤光栅和大功率泵浦耦合器进行了论述和实验探讨。其中，增益引导－折射率反引导光纤是一种新型的大模场光纤。本论文基于广义光纤方式耦合论述，对该光纤的耦合特性以及基于这种光纤的激光器增益特性进行了数值模拟和浅析。探讨结果表明，转变芯径-包层复折射率差实部的值，可转变光在增益引导－折射率反引导光纤和普通折射率引导光纤间的耦合方向。增益引导－折射率反引导光纤激光器在单模运转条件下，光纤长度和输出端腔镜反射率都应有对应的取值范围，一般取较大的光纤长度和较小的输出端腔镜反射率可使激光器获得较大的单模激光输出功率。将一种矩阵算法拓展并运用于数值求解多模耦合模微分方程，并利用该矩阵算法对大模场光纤光栅的光谱特性进行了论述探讨。大模场多模光纤光栅因有着方式的自耦合和互耦合而使反射谱有着多个反射峰。当光栅周期有着啁啾时，反射峰会分裂，峰值反射率也会减小。利用高斯切趾函数可使啁啾光栅反射峰的分裂在一定程度上得到改善。在新的泵浦耦合技术方面，对一种同时包含传输芯和增益芯的复合结构光纤的泵浦耦合特性进行了论述浅析，并对基于这种复合结构光纤的激光放大器的增益特性和温度分布进行了数值计算和浅析。结果表明，复合结构光纤中泵浦光的耦合特性与泵浦光的方式、纤芯半径和纤芯距离等因素有关。与利用端面泵浦技术的光纤激光放大器相比，这种复合结构光纤放大器对泵浦光的吸收和激光转换相对平缓，光纤具有相对低的温度分布。基于这种复合结构光纤的新型泵浦技术为研制超大功率光纤激光（放大）器提供了一种新的途径。关键词：大功率全光纤激光器论文相干合束论文互注入相位锁定论文部分相干合束论文增益引导－折射率反引导光纤论文大模场光纤光栅论文复合结构光纤论文
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Abstract6-12
第一章 引言12-27

1.1 大功率全光纤激光器的结构特点及运用12-17

1.1 全光纤激光器的结构和特点13-14

1.2 全光纤激光器的运用14-17

1.2 大功率光纤激光器的探讨进展17-19

1.3 光纤激光器功率提升面对的主要不足和解决办法19-20

1.4 论文探讨目的和作用20-22

1.5 论文各章节内容和安排22-23

参考文献23-27
第二章 大模场光纤27-56

2.1 双包层光纤和包层泵浦技术27-29

2.2 光子晶体光纤29-36

2.1 光子晶体和光子晶体光纤的基本概念29-30

2.2 光子晶体光纤的分类30-33

2.3 光子晶体光纤的基本性质33-36

2.3 增益引导－折射率反引导光纤36-47

2.3.1 增益引导-折射率反引导光纤的模场37-3论文导读：13.2.3龙格-库塔迭代算法和矩阵算法比较61-623.3大模场光纤光栅的光谱特性62-663.3.1大模场光纤光栅论述模型62-633.3.2光谱特性浅析63-663.4结论66参考文献66-69第四章大功率泵浦耦合器69-834.1大功率光纤激光泵浦技术69-754.1.1透镜耦合端面泵浦69-704.1.2V形槽侧面泵浦70-714.1.3平-凸双色镜反射泵浦71-724.1.
9

2.3.2 广义方式耦合论述39-42

2.3.3 增益引导－折射率反引导光纤的耦合特性42-44

2.3.4 增益引导－折射率反引导光纤与普通折射率引导光纤耦合44-47

2.4 其它大模场光纤47-50

2.4.1 螺旋光纤47-48

2.4.2 泄漏通道光纤48-49

2.4.3 CCC 光纤49-50

2.5 结论50

参考文献50-56
第三章 大模场光纤光栅56-69

3.1 大模场光纤光栅的耦合模方程56-58

3.2 多模耦合模方程的数值解法58-62

3.

2.1 龙格－库塔迭代算法59-60

3.

2.2 多模耦合模方程的矩阵算法60-61

3.

2.3 龙格-库塔迭代算法和矩阵算法比较61-62

3.3 大模场光纤光栅的光谱特性62-66

3.1 大模场光纤光栅论述模型62-63

3.2 光谱特性浅析63-66

3.4 结论66

参考文献66-69
第四章 大功率泵浦耦合器69-83

4.1 大功率光纤激光泵浦技术69-75

4.

1.1 透镜耦合端面泵浦69-70

4.

1.2 V 形槽侧面泵浦70-71

4.

1.3 平-凸双色镜反射泵浦71-72

4.

1.4 光纤束熔锥端面泵浦72-73

4.

1.5 泵浦光纤角度耦合泵浦73-74

4.

1.6 侧面熔锥泵浦74-75

4.2 一种新型的单模泵浦耦合器75-76

4.3 基于倏逝波耦合的复合结构光纤泵浦技术76-80

4.

3.1 复合光纤泵浦芯和增益芯之间的耦合模方程77-79

4.

3.2 复合结构光纤的泵浦耦合特性79-80

4.4 结论80-81
参考文献81-83
第五章 大功率全光纤激光器83-111

5.1 掺镱（Yb3+）光纤激光器的基本论述83-93

5.

1.1 Yb3+的特性83-85

5.

1.2 速率方程85-87

5.

1.3 热传导方程87-88

5.

1.4 激光器的增益特性和温度分布88-91

5.

1.5 激光器的高阶模抑制策略91-93

5.2 全光纤激光器实验探讨93-96
5.

2.1 激光器结构原理93-94

5.

2.2 激光器的输出特性94-96

5.3 增益引导-折射率反引导光纤激光器的论述浅析96-102
5.

3.1 增益引导－折射率反引导光纤激光器的速率方程96-98

5.

3.2 增益引导-折射率反引导光纤激光器的增益特性98-102

5.4 MOPA 结构全光纤激光器102-107
5.

4.1 MOPA 结构全光纤激光器实验102-104

5.

4.2 耦合泵浦光纤激光放大器的论述浅析104-107

5.6 结论107
参考文献107-111
第六章 大功率全光纤激光器阵列的光束合成111-142

6.1 激光器阵列光束合束策略111-121

6.

1.1 非相干合束技术111-114

6.

1.2 相干合束114-121

6.2 合成光束的光束质量浅析121-126

6.3 腔模互注入相位锁定实验126-131

6.

3.1 两大功率全光纤激光器相干合束126-129

6.

3.2 腔模互注入相位锁定技术的扩展案例129-131

6.4 部分相干合束的实验探讨131-135

6.5 结论135-136

参考文献136-142
第七章 总结和展望142-144
致谢144-145
攻读博士学位期间发表论文和专利145-146
攻读博士期间获得荣誉146