大功率光纤激光源中热效应和受激布里渊散射的抑制与半导体激光器线阵的光束整形

论文摘要

大功率光纤激光源具有增益介质长、结构紧凑、散热好和输出光束质量高等优点,是其他激光器无法比拟的,这也决定了其在国防、工业和医疗等领域具有重要地位和美好的应用前景。但是随着光纤激光源输出功率不断的提升,热效应和受激布里渊散射现象会成为限制功率增长的障碍。本论文结合所承担的国家863重大项目,针对如何抑制光纤激光源中热效应和受激布里渊散射的问题进行了系统深入的研究,获得主要创新成果如下:1.分别针对大功率双包层光纤放大器和激光器中热效应的抑制问题,基于遗传算法的思想提出一套优化算法,用于合理安排分段泵浦方式下的抽运功率和泵浦点之间的光纤长度,从而实现光纤中均匀的温度分布和较低的最高工作温度,同时确保具有最大的斜率效率2.利用多芯光纤作为大功率单频光纤放大器的增益介质,并分别对单频多芯和单芯光纤放大器完善了描述抽运光、信号光和Stokes信号的速率方程组,考虑了温度差对受激布里渊散射的影响。通过对单芯和19芯光纤放大器的分析比较可以发现,19芯光纤放大器在确保受激布里渊散射增益小于增益阈值的前提下具有较低的最高工作温度,因此对进一步提升输出功率提供了更大空间。3.针对基于塔耳博特腔选模存在的两点不足,即同相位模式输出功率比例偏低和光纤激光器斜率效率偏低,提出了一种基于微结构光纤的选模方法,通过优化微结构光纤的尺寸参数使得基模与多芯光纤的同相位模式具有最大的功率耦合系数。对19芯和37芯光纤激光器进行了数值计算,研究表明基于微结构光纤选模的多芯光纤激光器相比较传统的塔耳博特腔多芯光纤激光器具有明显的优势。4.高斯光束可以用作多芯光纤放大器的激励源,但是如果其束腰半径偏离最佳值会导致严重的输出光束质量劣化,针对此问题提出一种新的方法用于降低多芯光纤放大器对激励光源参数精度的要求,并兼顾输出光束质量和斜率效率。5.利用直角棱镜片制作了半导体激光器线阵的光束整形器,其具有体积小、结构紧凑和安装容易的特点,整形后的光束可以耦合进直径650μm,数值孔径为0.46的光纤,效率为52.6%,可以通过进一步提高安装和制作工艺来提高耦合效率。

论文目录

• 致谢
• 中文摘要
• ABSTRACT
• 目录
• 第一章 绪论
• 1.1 引言
• 1.2 大功率光纤激光器和放大器的发展和研究现状
• 1.2.1 光纤激光器和放大器中热效应的抑制
• 1.2.2 单频大功率光纤放大器中受激布里渊散射的抑制
• 1.2.2.1 单芯单频大功率光纤放大器中受激布里渊散射抑制的研究
• 1.2.2.2 多芯单频大功率光纤放大器中受激布里渊散射抑制的研究
• 1.2.3 增强多芯光纤激光器中同相位模式的选择
• 1.2.4 半导体激光器线阵光束整形器的研究
• 1.3 论文的研究内容和成果
• 参考文献
• 第二章 大功率光纤激光源中热效应和受激布里渊散射的抑制
• 2.1 引言
• 2.2 光纤放大器中热效应的抑制
• 2.2.1 光纤放大器的理论模型
• 2.2.2 双端抽运和分段抽运方式的比较
• 2.2.3 分段抽运方式下的优化算法
• 2.3 光纤激光器中热效应的抑制
• 2.3.1 光纤激光器的理论模型
• 2.3.2 双端抽运和分段抽运的比较
• 2.3.3 分段抽运方式下的优化算法
• 2.4 单频光纤放大器中受激布里渊散射的抑制
• 2.4.1 单频光纤放大器的理论模型
• 2.4.2 抽运方式和对流系数对受激布里渊散射的影响
• 2.5 本章小结
• 参考文献
• 第三章 单频大功率多芯光纤放大器中受激布里渊散射的抑制
• 3.1 引言
• 3.2 用有限元法求解多芯光纤中的模场分布
• 3.3 单频多芯光纤放大器的理论模型
• 3.4 温度分布方程组和速率方程组的计算
• 3.5 抽运方式和对流系数对增益G的影响
• 3.6 粒子掺杂密度和光纤长度和对增益G的影响
• 3.7 比较单芯和19芯光纤放大器
• 3.8 本章小结
• 参考文献
• 第四章 增强多芯光纤激光器中同相位模式的选择
• 4.1 引言
• 4.2 多芯光纤激光器的理论模型
• 4.3 基于自由空间衍射对多芯光纤激光器的改进
• 4.4 利用微结构光纤对多芯光纤激光器选模机制的改进
• 4.4.1 利用微结构光纤实现多芯光纤激光器选模的物理机制
• 4.4.2 微结构光纤基模与多芯光纤模式的耦合
• 4.4.3 微结构光纤基模与包层模的限制损耗
• 4.4.4 基于微结构光纤选模的多芯光纤激光器的理论模型
• 4.4.5 数值计算
• 4.5 微结构光纤在多芯光纤放大器中的应用
• 4.5.1 高斯光束与微结构光纤的耦合
• 4.5.2 改进前后多芯光纤放大器性能的对比
• 4.6 本章小结
• 参考文献
• 第五章 半导体激光器线阵光束整形器的制作
• 5.1 引言
• 5.2 理论分析
• 5.3 整形器件的设计和仿真
• 5.4 光束整形器的制作
• 5.5 实验结果
• 5.6 本章小结
• 参考文献
• 第六章 结束语
• 6.1 本论文的主要成果
• 6.2 下一步拟进行的研究工作
• 作者简历
• 学位论文数据集