论文摘要
光纤放大器具有结构紧凑、可靠性高、光束质量好、转换效率高以及热管理方便等特点。近年来,随着高功率半导体激光泵浦技术和双包层光纤制作工艺的发展,光纤放大器的功率不断提升。然而,这些高功率光纤放大器输出激光较大的线宽使得它们难以应用于相干合成、谱合成和频率转换等需要窄线宽激光(一般小于0.1 nm)的领域。对于窄线宽光纤放大器,限制其功率提升的最主要因素就是光纤中的受激布里渊散射(stimulated Brillouin scattering,SBS)效应,光纤放大器输出功率一旦达到SBS阈值,其中的后向散射光就会出现非线性急剧增长,而当后向散射光足够强时就会损伤放大器前级的泵浦激光器甚至种子激光器,因此抑制SBS对高功率窄线宽放大器尤为重要。常见的SBS抑制方法主要有设计大模场面积光纤、改变光纤中掺杂物分布、利用光纤的温度场和应力场分布等,然而这些方法在实际应用中都受到了各种各样的限制,因此探索新的高效的SBS抑制方法势在必行。本文以主振荡放大(master oscillator power amplifier, MOPA)结构全光纤窄线宽光纤放大器中的SBS效应为研究对象,对多波长放大和基于单频激光相位调制两种不同的基于谱线操控的SBS抑制方法进行了理论和实验研究。文章的主要研究内容如下:1、建立多波长光纤放大器理论模型,对增益竞争双波长放大和多单频多波长放大两种不同的多波长窄线宽光纤放大器抑制SBS的有效性进行了理论分析和数值模拟,对种子功率比、泵浦方式、增益光纤长度等因素对SBS抑制效果的影响作了全面的分析与讨论。2、开展了多单频多波长窄线宽光纤放大器实验研究。在低功率实验中验证了多单频多波长放大抑制SBS效应的有效性和输出的窄线宽激光用于光纤激光相干合成的可行性;在高功率实验中获得了功率达334 W的高功率窄线宽激光,目前处于国内有报道的窄线宽光纤激光的领先水平。3、对基于单频激光相位调制产生多单频激光进行了全面的理论分析和数值模拟。建立基于单频激光相位调制的窄线宽光纤放大器理论模型并进行数值模拟,模拟结果表明,基于单频激光相位调制的方法可以有效抑制窄线宽光纤放大器中的SBS效应。4、开展了基于单频激光相位调制抑制窄线宽光纤放大器中SBS效应的实验,验证了相位调制抑制SBS的有效性。对光纤放大器系统参数的不同和调制信号的频率及幅度的变化对SBS抑制效果的影响进行了实验研究。利用基于单频激光相位调制的方法成功抑制光纤放大器中的SBS效应,搭建了最高输出功率达275 W的窄线宽光纤放大器。