高峰值功率激光的光纤传能特性研究

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光纤传能在激光武器、激光加工、激光医疗等领域都有重要的应用价值。利用光纤传输高峰值功率激光实现激光点火,是光纤传能的一种典型军事应用。目前光纤传输高峰值功率激光的研究还很少,研究光纤传输高峰值功率激光的特性,是激光点火系统设计的基础。本论文主要研究了高峰值功率激光的光纤注入、耦合与传输特性。针对光纤传能特性研究的需要首先在理解激光点火机理的基础上,总结了激光点火的实现方式,论述了激光点火系统的组成,分析了激光强度、光纤芯径对激光点火性能的影响,提出了激光点火系统总体设计方案,指出对激光点火系统的“光路优化”是系统小型化的有效途径之一。在激光的光纤注入特性研究中,对比分析了平端光纤与端面球透镜光纤的激光注入耦合特性;提出了导光锥注入耦合的新方法,设计了导光锥耦合装置,研究了其耦合特性,经实验验证注入激光的功率可提高约4倍。仿真分析和实验研究了光纤与光纤间的耦合特性;研究了注入条件、光纤弯曲对耦合效率的影响、光功率密度分布的影响。实验研究了光纤的传输效率与注入激光能量的关系,发现非线性效应是限制光纤输出激光能量的重要因素;实验研究了光纤输出激光的光束特性。参考《GJB1487-92激光光学元件测试方法》和《ISO11245光学表面的激光诱导损伤阈值测试方法》提出了光纤损伤阈值的测试方法、光纤损伤的判据、实验数据处理方法等,测得光纤端面的零损伤概率阈值能量密度为542J/cm~2。合理解释了光纤初始输入段容易损伤的原因,详细分析了光纤端面损伤的形貌和机理,指出等离子体的产生是光纤端面激光诱导损伤的直接原因。针对激光点火的应用,为确保含能材料可靠点火,又避免高峰值功率脉冲激光对光纤传能系统的损伤,提出了采用激光聚焦减小光斑、提高辐照在含能材料表面的激光功率密度的方法与装置,经实验验证功率密度提高了26.75倍。
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