高功率窄谱宽1918nm掺铥光纤激光技术研究

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2μm波段激光处于大气光学窗口并具有人眼安全等优点,因此,在激光测距、激光遥感、激光医疗和光电对抗等领域具有广泛的市场需求和重要的应用前景。此外,该波段激光器还是3~5μm宽带可调谐中红外光学参量振荡器的重要泵浦源。目前,2μm波段激光源主要有掺铥、掺钬以及铥钬共掺的光纤激光器与固体激光器。其中,光纤激光器由于结构紧凑、散热效果好、光束质量高等优点而广受关注。本文针对高功率窄谱宽1918nm掺铥光纤激光(TDFL)技术开展探索研究,并取得了以下主要进展:  (1)基于主振荡功率放大(MOPA)结构,对TDFL实现窄谱宽输出进行了理论分析;基于铥离子速率方程和光纤中功率传输方程,建立数值模型,对掺铥光纤放大器输出功率与增益光纤长度的关系、种子光功率对放大器效率的影响等进行了模拟分析。  (2)开展了1918nm连续波输出TDFL相关实验研究。首先,基于不同尺寸光纤与光栅、进口光纤与国产光纤等分别搭建激光振荡器,对输出激光的光斑特性和光谱特性开展了相关实验研究。其次,采用国产光纤及器件开展了高功率国产化TDFL研究,基于一级振荡加两级放大的MOPA结构,得到了最高功率为171W的窄谱宽激光输出,中心波长为1917.82nm,3dB光谱宽度为80pm,斜率效率为33.5%,光-光转换效率为33.3%。接着,采用进口光纤基于同样结构得到了最高功率达206.5W的高功率窄谱宽激光输出;同时,对振荡和预放大两级进行了装机,得到了10小时稳定运行的90W输出TDFL整机系统;此外,开展了种子光功率对放大器效率影响的实验以及放大的自发辐射(ASE)产生的泵浦阈值功率随光纤长度变化关系的探索实验。最后,对进口光纤长度进行优化,得到了功率为285.5W的激光输出,中心波长为1917.79nm,3dB光谱宽度为80pm,斜率效率为55.8%,光-光转换效率为56.1%,系统在30分钟运行考核时间内稳定性良好,输出功率不稳定度为±0.4%。
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