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光纤激光器与固体激光器相比,具有高增益与低阈值,高光束质量,能够获得极高的功率,热效应易控制等优点,这使得光纤激光器在工业、军事等应用中具有竞争力。本论文主要研究高功率纳秒脉冲光纤放大器,采用主振荡功率放大(MOPA)结构,用掺镱大模场光纤作为放大增益介质获得高平均功率激光输出。论文通过理论计算与实验验证相结合,优化MOPA系统的放大性能。
限制放大器高功率输出的主要是光纤非线性效应,包括受激拉曼散射(SRS)与受激布里渊散射(SBS)。这些非线性效应会引起光纤端面损伤,影响放大倍率。本论文从理论上分析了纳秒脉冲在放大器中的传播,采用脉冲形变较小的高斯型脉冲进行放大实验,获得平均功率77W的纳秒脉冲光纤放大器,并用来进行了倍频实验,获得了16kW的高峰值功率的绿光输出。
本论文首先采用自行搭建的脉宽10ns级的Nd:YVO4激光器种子源,用纤芯直径为20μm的掺镱大模场光纤作为增益介质,放大器采用带尾纤输出的中心波长为975nm的半导体激光器(LD)作为泵浦源。通过优化光纤长度,提高光纤非线性阈值,获得了50kHz、10ns、34.1W的1064nm激光输出,相应的单脉冲能量0.68mJ,峰值功率68kW,斜效率为45.9％。
其次,为提高种子源单脉冲能量,从而有效提取光纤存储能量,自行重新搭建脉宽20ns级的Nd:YVO4激光器种子源,通过不同重复频率的对比实验,与种子光耦合优化获得40kHz、17.8ns、77W的1064nm激光输出。据我们所知,这是采用纤芯直径20μm的掺镱大模场光纤获得的最高平均功率。相应的单脉冲能量为1.9mJ,峰值功率为108kW。光纤放大器输出功率密度约为340 W/μm2,比纯石英的激光损伤阈值4 kW/μm2小一个数量级,但是这已经接近采用纤芯直径20μm的大模场光纤输出最大峰值功率的极限值。放大器输出光束质量为两倍衍射限,斜效率为73.5%。
最后,结合MOPA系统与非线性晶体LBO,获得了最大峰值功率为16kW的532nm绿光输出。通过实验研究基频光聚焦透镜焦距与种子源重复频率对二次谐波转换效率的影响,获得了优化的倍频实验条件,与理论分析结果基本一致。在重复频率35kHz,脉宽18ns,基频光平均功率为48W时,获得了平均功率12W的绿光输出。对倍频的转换效率进行了研究,分析了比理论转换效率低的原因。
论文研究的光纤放大器可以在工业上应用,并且为全光纤的脉冲光纤激光器提供有用的实验数据。