摻鐿長波光纖雷射器中寄生振蕩產生機理及抑制方法

《摻鐿長波光纖雷射器中寄生振蕩產生機理及抑制方法》是依託中國人民解放軍國防科技大學，由肖虎擔任項目負責人的青年科學基金項目。

基本介紹

• 中文名：摻鐿長波光纖雷射器中寄生振蕩產生機理及抑制方法
• 項目類別：青年科學基金項目
• 項目負責人：肖虎
• 依託單位：中國人民解放軍國防科技大學

中文摘要

寄生振盪是制約摻鐿長波光纖雷射器功率提升的關鍵因素。受限於寄生振盪，長波光纖雷射器的輸出功率比1064 nm波段功率低2-3個量級。與短波光纖雷射器相比，長波摻鐿光纖雷射器中的寄生振盪在頻域和閾值等方面存在明顯的差異，利用現有的經典雷射器理論無法作出合理解釋。目前，對長波摻鐿光纖雷射器的研究僅停留在實驗層面，缺少對寄生振盪建立過程的物理描述。鑒於此，本項目擬對摻鐿長波光纖雷射器中寄生振蕩產生的雷射動力學過程進行理論和實驗研究。理論分析寄生振盪建立過程中各能級粒子數分布規律和躍遷特性；系統分析鐿離子吸收發射截面、摻雜濃度、泵浦波長、泵浦方式、背景損耗、瑞利散射及溫度等因素對寄生振盪閾值的影響；通過理論和實驗探索抑制寄生振盪的有效方案，尋找摻鐿長波光纖雷射器的最佳化設計方法，為高功率長波光纖雷射器奠定理論基礎並提供實驗支撐。

結題摘要

寄生振盪是限制長波（1120-1200nm）摻鐿光纖雷射器功率提升的主要因素之一。寄生振盪的出現將對雷射器的輸出功率、轉換效率、光譜和時域特性造成嚴重影響，甚至損壞增益光纖或其他器件，因此獲得高功率的長波摻鐿光纖雷射極為困難。鑒於此，本項目對摻鐿長波光纖雷射器中寄生振蕩產生的雷射動力學過程進行了理論和實驗研究。建立了長波摻鐿光纖雷射器理論模型，理論分析了光纖長度、光柵反射率、瑞利散射、光纖損耗、工作溫度等對寄生振盪閾值的影響。實驗上對振盪器輸出光柵反射率、摻鐿光纖長度、泵浦方式、光纖損耗等因素在抑制放大自發輻射和寄生振盪方面的性能進行了詳細討論。總結出了設計高功率摻鐿長波光纖雷射器應遵循的一般規律。搭建了976nm半導體雷射器泵浦的1150nm摻鐿光纖雷射器，實現了120W 的雷射輸出，為目前文獻中公開報導的1120-1200nm波段最高輸出功率。進一步開展了長波長雷射在摻鐿光纖中的放大研究。從理論上分析了種子功率、端面反饋、光纖參數對放大器性能的影響，搭建了1120 nm摻鐿光纖放大器，獲得了309 W的雷射輸出，光光效率71.5%。為突破寄生振盪對輸出功率的限制，探索了基於鐿離子和拉曼混合增益的長波光纖雷射器。通過兩對波長分別位於常規波段和長波波段的光柵構建複合腔振盪器，由鐿離子中產生的常規波段雷射，通過拉曼效應直接在腔內轉換為長波雷射，避免了寄生振盪的產生。對混合增益雷射器開展了理論和實驗研究，分析了摻鐿光纖和傳能光纖長度、光柵反射率、光柵波長間隔、纖芯包層比、泵浦方式等對雷射器輸出功率與光譜特性的影響。經理論最佳化和實驗設計，搭建了1090nm-1150nm高功率摻鐿-拉曼混合增益光纖振盪器，實現了110.8W的1150nm雷射輸出。基於20/400μm大模場雙包層光纖，搭建了1080-1120nm混合增益光纖雷射器，實現了最高132.3W的1120nm雷射輸出。本項目的研究成果可為千瓦級長波摻鐿光纖雷射器的設計提供理論依據和實驗參考。