高功率光纖激光器在軍事、工業(yè)、科研等領(lǐng)域的應(yīng)用已經(jīng)十分廣泛。在工業(yè)加工領(lǐng)域利用高功率光纖激光器加工高反材料時,強(qiáng)烈的反射光會對光纖激光器,尤其是MOPA結(jié)構(gòu)的光纖激光器,造成嚴(yán)重的危害,會損傷激光器器件,甚至直接燒毀激光器,研究高功率光纖激光器的抗反射光技術(shù)成為一項重要的學(xué)術(shù)課題。隨著技術(shù)的更新和需求的提高,抗反射光已經(jīng)不再是唯一的追求目標(biāo),光纖激光器需要同時具備高功率、高效率、高光束質(zhì)量等特質(zhì),才能滿足更高的研究和應(yīng)用需求。本文重點(diǎn)是對高效率、高光束質(zhì)量、抗反射光的高功率光纖激光技術(shù)進(jìn)行理論和實(shí)驗(yàn)研究。本論文提出了“振蕩-放大一體化”這種新的光纖激光器結(jié)構(gòu),建立了能夠分析影響激光器性能的重要因素的數(shù)學(xué)模型,利用該模型對增益光纖、泵浦方式、界面反射率等參數(shù)進(jìn)行了優(yōu)化,分析了反射光在光纖激光器中傳輸、放大的物理機(jī)制。通過理論和實(shí)驗(yàn)的研究,提出了一種高效優(yōu)質(zhì)抗反射光的高功率光纖技術(shù)。一、介紹了常見的解決反射光問題的思路和方法,針對現(xiàn)有常見光纖激光器的局限性,通過比較單諧振腔結(jié)構(gòu)和MOPA結(jié)構(gòu)的光纖激光器的優(yōu)缺點(diǎn),綜合兩者的優(yōu)勢,提出了“振蕩-放大一體化”這種同時滿足高功率、高效率、高光束質(zhì)量和抗反射光四大要求的新結(jié)構(gòu)。二、基于速率方程理論,建立了數(shù)值分析模型,利用該模型能夠分析了激光中心波長、泵浦光波長、泵浦方式、增益光纖參數(shù)、光柵反射率、反射光等因素對“振蕩-放大一體化”結(jié)構(gòu)的激光器的影響。分析了反射光在光纖激光器中傳輸放大的物理過程,以及其對光纖激光器造成影響的物理機(jī)制。三、利用理論模型計算了振蕩級和放大級兩級之間的增益光纖的長度配比、前后向泵浦功率的配比等重要參數(shù)對激光器輸出特性及抗反射性能的影響。研究發(fā)現(xiàn),增加振蕩級增益光纖長度占比和正向泵浦光注入功率占比都能夠提高振蕩級的激光輸出功率,激光器整體的光光效率隨著振蕩級輸出功率的增加而降低,其反射光放大倍數(shù)隨著振蕩級輸出功率的增加而減小。考慮到效率和抗反射性能的變化是負(fù)相關(guān)的,統(tǒng)籌優(yōu)化,分別以高效率和抗反射光為主要目標(biāo)提出了“長腔方案”和“短腔方案”兩套結(jié)構(gòu)方案,經(jīng)過理論模擬,預(yù)計“長腔方案”的光光效率為78.0%,反射光放大倍數(shù)為2.1倍,“短腔方案”的光光效率為84.2%,反射光放大倍數(shù)為11.2倍,為下一步的實(shí)驗(yàn)研究做好理論參考。四、依照設(shè)計方案研制了兩套光纖激光器實(shí)驗(yàn)平臺,對實(shí)驗(yàn)結(jié)果和模擬結(jié)果進(jìn)行了對比分析,并進(jìn)行了激光器抗反射實(shí)驗(yàn),驗(yàn)證了“振蕩-放大一體化”光纖激光器的抗反射性能。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明,“長腔方案”在泵浦光功率為2414 W時,激光器輸出功率為1834 W,泵浦光和輸出光之間的轉(zhuǎn)換效率為76.0%,斜率效率為76.5%,光束質(zhì)量M2隨輸出功率的增加而增大,滿功率輸出時M2達(dá)到了 1.57�！岸糖环桨浮睂�(shí)現(xiàn)了大于2kW輸出,泵浦光和輸出光之間的轉(zhuǎn)換效率為81.6%,光束質(zhì)量M2=1.38。兩套激光器都通過了抗反射光驗(yàn)證實(shí)驗(yàn),高反射光環(huán)境下返回光功率增加幅度不大,說明反射光對激光器內(nèi)部的影響較小,激光器抗反射性能高�？紤]到“短腔方案”的抗反射光性能相對較弱,在高反射光環(huán)境下運(yùn)行之后,還對其進(jìn)行了超過2.5小時的烤機(jī)實(shí)驗(yàn),結(jié)果表明其能夠保持長期穩(wěn)定輸出。
【學(xué)位單位】：中國工程物理研究院
【學(xué)位級別】：碩士
【學(xué)位年份】：2018
【中圖分類】：TN248
【部分圖文】：

反射光進(jìn)入端帽后，在錐形的結(jié)構(gòu)中傳播，入射角度會被放大，傳播到光纖??端面時，大部分的反射光由于入射角度過大，只能在包層中傳播，只有小部分的??反射光會進(jìn)入纖芯。進(jìn)入包層的反射光可以利用包層功率剝離器（Ｃｌａｄｄｉｎｇ?Ｐｏｗｅｒ??Ｓｔｒｉｐｐｅｒ?：ＣＰＳ）進(jìn)行剝除。在輸出端的端面鍍一層抗反射膜，或者對端面進(jìn)行磨??斜角處理，都能有效減少進(jìn)入纖芯的反射光。前者的作用在于減少所有進(jìn)入光纖??系統(tǒng)的反射光，包括進(jìn)入光纖包層和纖芯的；后者的作用在于放大反射光的入射??角度，讓更多的反射光無法進(jìn)入纖芯，可以在包層中進(jìn)行剝離。??實(shí)際上，光纖的光學(xué)損傷多是由于端面產(chǎn)生的菲涅爾反射引起的寄生振蕩的??原因?qū)е碌�。因此，對輸出端面切斜角處理有利于抑制寄生振蕩。而且，摻雜稀??土離子的硅玻璃光纖比不摻雜的硅玻璃光纖的損傷閾值低，將大部分反射光導(dǎo)入??無摻雜的包層中，也可以抑制光纖端面的光學(xué)損傷。??表１．１是Ｗａｔｔｅｒ等人對光纖激光器光纖端帽抗反射性能的研宄結(jié)果％，從下??表數(shù)據(jù)可以看出，與平面無鍍膜的端帽結(jié)構(gòu)相比，加鍍抗反射膜能有效減少進(jìn)入??光纖系統(tǒng)的菲涅爾反射光功率，從而提高輸出光對反射光的抑制比；帶有８°斜??

有一定的損傷閾值，在較低功率的情況下效果較好，但是應(yīng)用到高功率的工業(yè)加??工領(lǐng)域，無論是輸出光還是返回光功率都很高，普通的隔離器就不再適用。??ｎＬｉｇｈｔ公司研發(fā)了一款適用于高功率情況下的隔離裝置＿，如圖１．２所示：??Ｂａｃｋ－ｒｅｆｌｅｃｔｉｏｎ????Ｉｓｏｌａｔｉｏｎ??匕：＝?為］—??Ｌ?＝?？一??■■■?Ｖ?／??Ｖ?Ｖ??Ｐｕｍｐ?Ｍｏｄｕｌｅｓ?Ｌａｓｅｒ／Ｃｏｍｂｉｎｅｒ??１?Ｇａｉｎ?Ｍｏｄｕｌｅ??圖１．２?ｎＬｉｇｈｔ公司研制的５００?Ｗ隔離器示意圖??這個裝置能將反射光分離出來，并引導(dǎo)至周邊的通有冷卻水的吸收區(qū)域，反??射光在該區(qū)域被吸收轉(zhuǎn)化為熱能被冷卻系統(tǒng)帶走，從而實(shí)現(xiàn)光纖激光器的抗反射??效果。該隔離裝置內(nèi)部還配有光電二極管（Ｐｈｏｔｏｄｉｏｄｅ：?ＰＤ）用于監(jiān)測反射光的??功率大小。激光作用于金屬材料表面時，反射光的強(qiáng)弱能夠反映切割或焊接的進(jìn)??５??

例如，剛剛開啟激光的瞬間，金屬呈固態(tài)，便面反射率較高，反射光??的功率相應(yīng)也很高；金屬吸收激光變成熔融狀態(tài)時，反射率急劇下降，反射光功??率也隨之降低。因此，可以通過監(jiān)測反射光的大小，指導(dǎo)調(diào)節(jié)激光的輸出功率、??切割頭的焦距等參數(shù)，以達(dá)到優(yōu)化加工效果的目的。??為了驗(yàn)證這種隔離裝置抗反射光的性能，ｎＬｉｇｈｔ公司在反射光超過５００?Ｗ的??情況讓激光器運(yùn)行超過３０００小時，輸出仍然能保持穩(wěn)定，輸出激光對返回光的??抑制比持續(xù)保持超過９８?％。??英國ＳＰＩ公司設(shè)計了一種名為ＧＴ－ｗａｖｅ技術(shù)的并行排列側(cè)面泵浦耦合器技??術(shù)［１９】。這種耦合技術(shù)是將栗浦光纖與増益光纖平行排列，并相互纏繞，可以實(shí)現(xiàn)??多根泵浦光纖圍繞單根增益光纖的結(jié)構(gòu)。栗浦光纖和增益光纖外圍涂覆有低折射??率涂覆層作為保護(hù)。這種結(jié)構(gòu)的好處在于，信號光和泵浦光是分開傳輸?shù)�，在纖??芯中背向反射的信號光不會被耦合到泵浦光光路中，因此也不會對泵浦ＬＤ造成??損傷。除此之外，ＧＴ－ｗａｖｅ光纖可以采用多端口栗浦，而實(shí)現(xiàn)高功率耦合，而且??信號光的差損非常小，無需截斷光路也能使實(shí)現(xiàn)雙端泵浦。??
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