高平均功率光纤脉冲激光技术探究.pdf

高平均功率光纤脉冲激光技术研究
高平均功率光纤脉冲激光技术研究
摘要

1961 年,世界上第一台激光器发明,激光技术由此飞速发展。激光器的种
类由工作的物质的不同可分为固体激光器、气体激光器、染料激光器等。光纤激
光器作为一种新型的固体激光器,与传统的固体激光器相比较,以光纤波导为工
作介质的光纤激光器具有光束质量好、转换效率高、便于热管理和结构紧凑、使
用轻便灵活等等许多优点,在工业加工、激光医疗、科学研究和军事国防等领域
具有广泛应用。目前,国际上单根连续光纤激光器的输出功率已经达到万瓦水平。
但是 Dawson 等人的研究分析认为,按照目前的材料和条件,对于宽带光纤激光
器,输出衍射极限激光的功率上限为 ,对于窄带宽光纤激光器,输出上
限则是 。采用脉冲工作方式的光纤激光器可实现极高峰值功率的激光输
出,在激光与靶目标相互作用、非线性频率转化等应用方面弥补了连续光纤激光
的诸多局限,是高功率光纤激光技术领域的一个重要研究方向。本文主要对窄光
谱宽度的脉冲光纤激光器、高平均功率光纤放大器及其倍频技术进行了详细的实
验研究。
第一章对掺 Yb3+双包层光纤进行了简单介绍。重点分析了光纤激光获得脉
冲激光输出的三种主要方法:调 Q 技术,锁模技术,种子光主振荡-放大(MOPA)
技术,并给出了国内外研究机构的一些典型研究成果。介绍了光纤激光倍频技术
的典型结构和实验结果。
第二章对基于掺 Sm3+光纤可饱和吸收特性的被动调 Q 光纤激光技术进行了
理论和实验研究。首先分析了被动调 Q 激光器的基本理论,并介绍了全光纤化
被动调 Q 光纤激光器的关键技术及核心部件。实验研究了以掺 Sm3+光纤作为可
饱和吸收体全光纤化被动调 Q 脉冲光纤激光器技术,采用三种腔结构,分别实
现了激光波长 1064nm 平均功率 ,脉冲宽度 450ns,重复频率 18kHz;激光
波长 1080nm 平均功率 ,脉冲宽度 648ns,重复频率 310kHz;激光波长
1080nm 平均功率 ,脉冲宽度 816ns,重复频率 212kHz 的典型实验结果。
第三章主要研究了全光纤化的高平均功率脉冲光纤放大器技术,采用电流直
接调制的半导体激光器为种子光源,通过掺 Yb3+光纤级联放大(MOPA)结构,
获得了平均功率 101W,脉冲宽度 ,重复频率 51kHz 的高平均功率脉冲激
光输出。采用被动锁模的皮秒级光纤激光器为种子光源,通过一级光纤放大器,
成功获得了平均功率 102W,脉冲宽度 76ps,重复频率 ,中心波长
I
1064nm,光谱半高宽度仅为 的激光输出。利用高平均功率的皮秒级脉冲
光纤激光器,初步开展了激光精细加工的实验研究。
第四章主要对脉冲光纤激光器的倍频技术进行了理论和实验研究,首先介绍
了非线性频率转换的基本理论以及实现相位匹配的方法,分析了激光光谱宽度对
倍频转换效率的影响。建立了以窄谱宽声光调 Q 光纤激光器为种子光源,以保
偏掺 Yb3+双包层光纤为放大器的脉冲光纤放大系统,得到了 15W 的窄谱宽线偏
振的脉冲激光输出。采用非临界相位匹配的 KTP 晶体为倍频元件,通过腔外单
通倍频,在基频光为 时获得了 的 540nm 的脉冲绿光激光输出。
本工作的创新点有:(1)对于掺 Sm3+光纤作为可饱和吸收体的全光纤脉冲激
光器,分别实验研究了单、双腔结构的激光系统,并均得到了稳定的脉冲输出,
并对其输出特性进行了分析;(2)实现了纳秒级全光纤激光器的工程化样机的装
配;(3)采用一级 MOPA 结构,试验成功了 102W 高平均功率窄谱宽皮秒脉冲全
光纤激光系统,并应用这套系统进行了工业加工实验。(4)使用非临界相位匹配
的 KTP 晶体,对光纤输出的窄谱宽高平均功率线偏振纳秒级脉冲激光进行了倍
频实验,光-光转化效率达 %。
关键词:脉冲光纤激光器,脉冲光纤放大器,被动调 Q 技术,全光纤
化,窄谱线宽度,倍频技术
高平均功率光纤脉冲激光技术研究
Study on high-average-power
pulsed fiber laser

Abstract

In 1961, as the first laser was invented, the laser technology is developed
rapidly. Types of lasers can be divided into different substances by