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高功率光纤激光器的理论研究

作　者: 刘国华
导　师: 刘德明
学　校: 华中科技大学
专　业: 电子科学与技术
关键词: 高功率光纤激光器双包层光纤光纤光栅抽运方式光束整形热效应受激拉曼散射受激布里渊散射非相干合成闪耀光栅布拉格体光栅相干合成锁相技术脉冲光纤激光器主振荡放大输出特性数值分析
分类号: TN248
类　型: 博士论文
年　份: 2007年
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内容摘要

由于高功率双包层光纤激光器具有光束质量好、效率高、结构紧凑和散热性好等特点,近年来发展迅速,已广泛应用于光通信、激光加工、激光医疗和军事等领域。本论文利用数值模拟和理论分析的方法,对高功率掺镱双包层光纤激光器进行了深入系统的研究,为高功率光纤激光器的设计提供了理论依据。(1)根据高功率掺镱双包层光纤激光器的速率方程,推导出其近似解析式,并进行了数值模拟。研究了光纤中的激光和抽运光的分布特性,详细分析了光纤激光器的结构参量对输出特性的影响。(2)研究了LD尾纤与双包层光纤的侧面耦合,得到耦合效率与倾斜角的关系式,并进行了数值模拟。结果表明,存在一个最佳斜角,使得耦合效率取极大值。(3)建立了高功率掺镱双包层光纤激光器在多种抽运方式下的理论模型,推导出其近似解析式,并进行了数值模拟。研究了不同抽运方式对光纤激光器输出特性的影响。模拟结果表明,采用空间多点抽运方式,可以使抽运光在光纤中的分布更加平坦,从而使激光在光纤轴向上均衡地增大。(4)从热传导方程出发,推导出高功率掺镱双包层光纤激光器中温度分布的表达式,并数值模拟了光纤轴向和径向的温度分布。结果表明,采用空间多点抽运方式,可以使温度在整个光纤长度上均衡分布,而输出功率没有明显下降。选择适当的抽运光数目、合理设置抽运光注入位置,优化抽运光功率,可以降低光纤的温度,使温度分布更平坦。(5)研究了高功率双包层光纤激光器的受激喇曼散射和受激布里渊散射,利用打靶算法,对其进行了数值模拟。模拟结果表明,减小光纤长度、增大纤芯直径和降低掺杂浓度,可以提高受激喇曼散射和受激布里渊散射的阈值抽运光功率,从而抑制非线性效应。(6)研究了以闪耀光栅为色散元件的高功率掺镱双包层光纤激光器阵列的谱叠加技术,n个不同波长的激光束,经光栅衍射后在近场和远场重叠在一起,激光束的衍射效率>99%。(7)探讨了光热折变无机玻璃布拉格体光栅对宽谱、发散光束的衍射特性,研究了两束激光的体光栅谱叠加原理和技术,推导出衍射效率表达式,利用此式可以对体光栅的参量进行优化设计。(8)阐述了种子源主振荡放大光纤激光器的工作原理,并借助行波放大的暂态方程,对种子源脉冲放大进行了数值分析。

全文目录

摘要  4-6
ABSTRACT  6-12
1 绪论  12-29
  1.1 高功率光纤激光器  12-17
    1.1.1 高功率光纤激光器的基本结构和特点  12-15
    1.1.2 光纤激光器分类  15
    1.1.3 高功率光纤激光器的关键技术  15-17
  1.2 高功率光纤激光器的应用  17-21
  1.3 高功率光纤激光器的研究进展  21-26
    1.3.1 国外的有关研究进展  21-24
    1.3.2 国内的有关研究进展  24-26
  1.4 本论文的主要研究内容  26-29
2 高功率光纤激光器的增益介质  29-56
  2.1 基质材料  29
  2.2 掺杂稀土离子及其光谱特性  29-32
  2.3 双包层结构  32-34
  2.4 双包层光纤的吸收特性  34-38
    2.4.1 圆对称双包层光纤的吸收特性  34-36
    2.4.2 偏心双包层光纤的吸收特性  36-37
    2.4.3 矩形内包层光纤的吸收特性  37-38
  2.5 光子晶体光纤  38-41
    2.5.1 光子晶体光纤导光原理  38-40
    2.5.2 光子晶体光纤的特性  40-41
  2.6 高功率光纤激光器的理论计算  41-54
    2.6.1 速率方程  41-43
    2.6.2 理论模型  43-48
    2.6.3 输出特性的数值分析  48-54
  2.7 小结  54-56
3 高功率光纤激光器谐振腔的构造  56-65
  3.1 高功率光纤激光器谐振腔的分类  56-61
    3.1.1 Fabry-Perot 腔  56-60
    3.1.2 光纤环形谐振腔  60-61
  3.2 光纤光栅的制备  61-62
    3.2.1 全息法  61-62
    3.2.2 相位掩模法  62
  3.3 腔镜反射率对激光输出特性的影响  62-64
  3.4 小结  64-65
4 高功率光纤激光器抽运耦合系统  65-95
  4.1 抽运源  65-68
    4.1.1 抽运波长  65
    4.1.2 半导体激光器的输出特性  65-67
    4.1.3 大功率半导体激光器  67-68
  4.2 大功率半导体激光器的光束整形  68-72
    4.2.1 光束整形方法  69-72
    4.2.2 二维堆栈的光束整形  72
  4.3 耦合系统  72-75
    4.3.1 耦合原理  72-73
    4.3.2 整形光束的空间滤波  73-74
    4.3.3 耦合透镜设计  74
    4.3.4 光纤端面的处理  74-75
  4.4 抽运技术  75-82
    4.4.1 端面抽运  75-76
    4.4.2 侧面抽运  76-81
    4.4.3 锥形光纤耦合技术  81-82
  4.5 抽运数值分析  82-93
    4.5.1 多种抽运形式的理论模型  82-87
    4.5.2 抽运光波长对激光输出特性的影响  87-88
    4.5.3 单点抽运模式下的激光输出特性  88-90
    4.5.4 两点抽运模式下的激光输出特性  90-92
    4.5.5 空间多点抽运模式下的激光输出特性  92-93
  4.6 小结  93-95
5 高功率光纤激光器的热效应和非线性效应  95-120
  5.1 高功率光纤激光器的热效应  95-103
    5.1.1 理论模型  95-98
    5.1.2 数值分析  98-103
  5.2 高功率光纤激光器的受激喇曼散射  103-111
    5.2.1 受激喇曼散射的基本原理  103-104
    5.2.2 受激喇曼散射的理论分析  104-111
  5.3 高功率光纤激光器的受激布里渊散射  111-118
    5.3.1 受激布里渊散射的基本原理  111-112
    5.3.2 受激布里渊散射的理论分析  112-118
  5.4 小结  118-120
6 高功率光纤激光器的光束合成  120-151
  6.1 引言  120
  6.2 激光束的相干合成的学位论文">非相干合成  120-141
    6.2.1 谱叠加技术  120-121
    6.2.2 光栅谱叠加技术  121-134
    6.2.3 光热折变无机玻璃布拉格体光栅谱叠加技术  134-141
  6.3 激光束的相干合成  141-150
    6.3.1 相干合成的技术方案  141-144
    6.3.2 锁相技术  144-150
  6.4 小结  150-151
7 高功率脉冲光纤激光器  151-171
  7.1 调Q 光纤激光器  151-158
    7.1.1 调Q 的基本原理  151-154
    7.1.2 光纤激光器的调Q 技术  154-157
    7.1.3 影响调Q 光纤激光器性能的因素  157-158
  7.2 锁模光纤激光器  158-162
    7.2.1 锁模的基本原理  158-160
    7.2.2 实现锁模的基本方法  160-162
  7.3 种子源主振荡放大光纤激光器  162-170
    7.3.1 理论模型  163-166
    7.3.2 数值分析  166-168
    7.3.3 MOPA 式高功率脉冲光纤激光的技术分析  168-170
  7.4 小结  170-171
8 总结  171-174
致谢  174-175
参考文献  175-185
附录1 攻读学位期间发表论文目录  185-186
附录2 数值模拟计算程序目录  186-187

高功率光纤激光器的理论研究

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