论文部分内容阅读
高功率窄线宽保偏光纤放大器具有优异的光束质量、稳定的性能、良好的偏振特性等优点,在引力波探测、非线性频率转换、光束合成等领域有着广泛的应用前景。然而,在窄线宽放大器,尤其是保偏窄线宽放大器中,受激布里渊散射(SBS)严重限制了激光功率的提升。目前,对SBS的抑制方法有多种。其中,从频域的角度通过相位调制展宽布里渊增益谱抑制SBS,以及从时域的角度通过强度调制压缩光脉宽抑制SBS的效果都较为明显,且成本较低、系统集成性较好。基于此,本文提出了同时相位/强度调制抑制SBS的新方法,并对该方法在保偏窄线宽光纤放大器中抑制SBS的效果开展了详细的理论和实验研究,主要内容如下:首先,介绍了窄线宽光纤放大器的应用与研究现状,指出SBS是窄线宽保偏放大器、尤其是单频保偏放大器功率提升的限制因素,并对SBS的各种抑制方法的研究现状进行了较为详细的介绍。其次,理论研究了相位、强度调制抑制光纤放大器中SBS的基本原理。分析了相位调制中的调制幅度、调制频率,强度调制中的调制脉冲宽度、脉冲重复频率等关键参数对SBS阈值的影响。阐明了相位/强度调制提升SBS阈值的物理机制,提出了通过相位和强度同时调制抑制SBS的方法,指出了该方法可以从频域和时域两个角度提高SBS阈值,有望获得更高功率的窄线宽保偏激光输出。再次,基于光纤放大器中SBS三波耦合方程和速率方程,综合考虑受激拉曼散射(SRS)效应,建立了相位/强度调制方法抑制SBS的理论模型。利用理论模型,详细仿真了相位调制频率、幅度、调制光谱幅度分布,强度调制脉宽、脉冲重复频率、传能光纤长度等参数对光纤放大器SBS阈值的影响。并对相位和强度同时调制时不同调制参数组合下的SBS阈值特性进行了仿真分析。理论上证明了同时相位/强度调制能够有效提高窄线宽保偏放大器的SBS阈值。最后,在理论和仿真基础上,开展了相位/强度调制抑制高功率保偏光纤放大器SBS效应的实验研究。在采用声光驱动源作为相位调制信号源,纤芯/包层直径为25/400μm保偏掺镱光纤作为增益光纤时,通过单独相位调制实现了560 W的连续激光输出,输出功率受限于模式不稳定效应。进一步,为了避免模式不稳定效应的出现,采用任意信号发生器作为信号源,纤芯/包层直径为20/400μm保偏掺镱光纤作为增益光纤,研究了不同调制情况下,SBS阈值随相位调制和强度调制参数的详细变化情况。单独相位调制时,在调制频率为80 MHz调制电压为10 V时,将SBS阈值由单频时的23.1 W提高到166 W。利用调制频率为5 MHz,调制脉宽为4 ns的单独强度调制,将SBS阈值由单频时的23.1 W提高到平均/峰值输出功率136 W/8.5 kW。在同时相位和强度调制实验中,对调制光谱对SBS阈值的影响进行了深入分析;在相位调制频率为100 MHz、调制幅度为5 V,强度调制频率为20 MHz、脉宽为4 ns时,实现了线宽为4.5 GHz、平均/峰值功率293 W/3.9 kW的高功率脉冲光纤激光输出,将SBS阈值(平均功率)提高了13.7倍。本文通过理论分析与实验研究证实了相位和强度同时调制对SBS抑制的有效性。结果表明,与单独相位和强度调制相比,同时相位和强度调制能够更好的抑制保偏光纤放大器中的SBS。如果采用高带宽的相位调制器和信号源,进一步提高相位调制的频率和幅度,能够获得更高功率的窄线宽保偏激光输出。相关理论和实验研究,对进一步提升窄线宽保偏光纤放大器的激光功率具有指导意义。