高功率掺铥光纤激光功率定标放大研究

与传统的1μm光纤激光相比,2μm光纤激光具有非线性效应阈值更高、更易保持单模工作、人眼安全等不可替代的优势。近些年,随着光纤激光技术的进步,高功率2μm光纤激光得以快速发展,其应用遍及工业加工、生物医疗、通信遥感等诸多领域。然而,2μm光纤激光功率定标放大仍面临着诸多挑战,泵浦光亮度、热负荷、非线性效应、光纤激光极限功率等因素限制了2μm光纤激光输出功率的进一步提升。针对上述限制因素,本文对高功率掺铥光纤激光功率定标放大展开理论和实验研究。论文回顾了2μm高功率连续、脉冲激光和超荧光的研究进展,分析并总结了掺铥、掺钬光纤激光功率定标放大的限制因素,分别针对泵浦光亮度、热负荷、非线性效应等因素展开相关理论和实验研究。针对泵浦光功率和热负荷的限制,对掺铥光纤激光高功率泵浦方案展开理论研究。分析对比多种可行的掺铥光纤激光泵浦方案,建立~3H_6→~3F_4泵浦方案模型。对当前技术水平下泵浦源最成熟、输出功率最高的的0.79μm LD泵浦方案和量子亏损、热负荷最小的1.9μm掺铥光纤激光泵浦方案进行数值仿真,以激光系统效率和泵浦光功率注入潜力为判断依据,则使用1.9μm掺铥光纤激光泵浦方案可实现更高功率激光输出。针对时域稳定性对非线性效应阈值、功率定标放大能力的限制,对掺铥光纤ASE光源的功率定标放大能力展开实验研究。理论计算MOPA系统中主振荡器时域稳定性对非线性效应阈值、功率定标放大能力的影响,实验搭建具有良好时域稳定性的超荧光光源,实现了超过300 W的高功率输出,并研究不同带宽超荧光的功率定标放大能力。结合2μm光纤激光的应用,围绕具有特殊时频输出特性的2μm光纤激光展开实验研究。利用光纤色散管理技术,搭建了基于耗散孤子共振效应的锁模掺铥光纤激光器,实现了工作在反常色散区的2μm矩形脉冲激光输出;搭建了中心波长为2153 nm、最高输出功率为12 W的高功率掺铥光纤激光器,验证了工作在增益谱边带的掺铥光纤激光高功率输出的可行性,探讨了长波长掺铥激光高功率放大的技术方案。