【摘 要】
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高功率连续波光纤激光器具有结构简单、环境适应性强等特点,目前已经被广泛应用于工业加工及国防军事等领域。然而,随着输出功率的不断提升,连续波光纤激光器中依然存在输出功率瞬态响应过程缓慢且有巨脉冲、连续波分裂出大量高峰值功率脉冲和输出激光模式动态变化等时域不稳定问题。以上问题的出现会导致激光器输出功率波动,输出光谱及光束质量劣化,严重影响激光器应用,甚至威胁系统安全。为此,本文开展高功率连续波光纤激光
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高功率连续波光纤激光器具有结构简单、环境适应性强等特点,目前已经被广泛应用于工业加工及国防军事等领域。然而,随着输出功率的不断提升,连续波光纤激光器中依然存在输出功率瞬态响应过程缓慢且有巨脉冲、连续波分裂出大量高峰值功率脉冲和输出激光模式动态变化等时域不稳定问题。以上问题的出现会导致激光器输出功率波动,输出光谱及光束质量劣化,严重影响激光器应用,甚至威胁系统安全。为此,本文开展高功率连续波光纤激光器时域不稳定性及其抑制研究,主要研究内容如下:研究了高功率连续波光纤激光器瞬态响应过程中的不稳定性及其抑制方法。首先,针对瞬态响应过程中的巨脉冲现象,基于瞬态速率方程理论分析了光纤激光器中的过冲效应,提出了基于泵浦调制的高功率光纤激光器过冲抑制技术并进行了实验验证。实验中,利用泵浦调制法有效抑制了平均功率750W激光器中出现的峰值功率达1.4k W的巨脉冲。其次,针对输出功率瞬态响应过程缓慢的问题,建立了高功率光纤激光器热瞬态响应理论模型,仿真分析了激光器结构参数对瞬态响应速率的影响,通过优化泵浦源温控、增加激光器腔长、提高镱离子掺杂浓度的方法解决了瞬态响应过程缓慢的问题,最终将输出功率到达稳定功率的97%所需时间由8.5s缩短至0.1s以内。研究了高功率连续波光纤激光器中斯托克斯光诱导的调制不稳定性（MI）。提出了高功率光纤激光器中模间四波混频（IMFWM）和受激拉曼散射效应（SRS）相互作用的理论模型,分析了IMFWM和SRS对斯托克斯光频移特性的影响。基于线性稳定性分析,建立了高功率光纤激光器中斯托克斯光诱导的MI效应理论模型。搭建了高功率光纤激光放大器系统,实验研究了IMFWM和SRS影响下斯托克斯光诱导的MI效应,实验结果显示,斯托克斯光诱导的MI效应导致光谱中出现二阶斯托克斯边带,时域中发生自脉冲现象。针对MI效应导致的二阶斯托克斯边带和自脉冲现象,通过缩短输出传能光纤将二阶斯托克斯光与信号光的抑制比由20d B提升至50d B,同时有效抑制了自脉冲现象。研究了高功率连续波光纤激光器中模式不稳定（TMI）对非线性效应的影响。首先理论分析了TMI出现后光纤内基模与高阶模之间的动态耦合过程。其次,搭建实验系统,研究了TMI效应对非线性效应的影响,实验结果显示,TMI会促使IMFWM效应的发生并抑制SRS效应。基于光纤盘绕选模原理,通过增加光纤盘绕直径的方法同时抑制了TMI和SRS效应,将光纤激光放大器的TMI阈值由2.5k W提升至3.9k W,输出功率3.1k W时,SRS抑制比约35d B。基于高功率连续波光纤激光器时域不稳定性的研究分析,开展了高功率连续波光纤激光器时域特性优化实验,有效抑制了激光器中MI效应导致的光谱展宽,同时提高了激光器中的TMI和SRS效应的阈值。放大器最终输出激光功率3.15k W,光束质量M~2≈2.0,光谱3d B线宽约1.3nm,20d B线宽约6.7nm,SRS抑制比达33d B。系统输出激光时域稳定,长时间输出功率波动小于1%,无激光过冲和自脉冲现象,输出3.15k W时未出现TMI效应,输出功率仅受限于泵浦功率。
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