倾斜光纤Bragg光栅研制及在光纤激光非线性效应抑制中的应用

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光纤激光器以其转换效率高、光束质量好、结构紧凑、热管理方便等优势,在工业加工、通信、医疗、国防等领域都有着广泛的应用。目前,虽然已经实现了数千瓦的窄线宽光纤激光器和万瓦级宽谱光纤激光器,但是受激布里渊散射(SBS)和受激拉曼散射(SRS)分别是抑制窄线宽和宽谱光纤激光功率提升的关键因素之一。倾斜光纤Bragg光栅(TFBG)是一种特殊结构的光纤光栅,具有独特的模式耦合和传输特性,可用作窄带光谱滤波器,抑制窄线宽光纤激光器中的SBS效应。若在TFBG中引入啁啾,则可实现具有宽带滤波特性的啁啾倾斜光纤Bragg光栅(CTFBG),可用于抑制高功率宽谱光纤激光器中的SRS效应。作为一种全光纤结构的光谱滤波器件,倾斜光纤Bragg光栅简便易操作的优点对于高功率全光纤激光系统的发展具有重要意义。本论文围绕倾斜光纤Bragg光栅的理论研究、设计仿真、制备及其对光纤激光SBS和SRS效应的抑制开展了详细的研究,主要内容如下:(1)综述了倾斜光纤Bragg光栅的研究进展和应用情况,分别介绍了高功率窄线宽和宽谱光纤激光的研究现状,总结分析了SBS和SRS常用抑制方法的优缺点,结合倾斜光纤Bragg光栅的特点,指出TFBG和CTFBG分别在光纤激光SBS和SRS抑制中具有重要的潜在应用价值。(2)倾斜光纤Bragg光栅的理论分析、设计仿真与制备研究。从光纤光栅的耦合模理论出发,简要分析了倾斜光纤Bragg光栅的模式耦合特性,通过仿真,研究了不同参数对其光谱特性的影响。针对后续实验的需求,设计了光谱匹配的TFBG和可避免残余Bragg反射的CTFBG,并开展了制备工艺研究,重点摸索了TFBG的切趾补偿技术和CTFBG的阶梯退火技术,实现了性能较好的倾斜光纤Bragg光栅的制备,并详细测量了其光谱特性、温升特性等。(3)基于非啁啾TFBG的光纤SBS抑制研究。简要分析了TFBG抑制SBS的基本原理,根据仿真设计制备的TFBG,搭建了抑制光纤中SBS的验证性实验系统并开展了详细的实验研究。结果表明,TFBG不仅可以滤除SBS产生的后向Stokes光,很好地保护前级系统,还可以提升SBS阈值和信号光输出功率,实现对SBS的抑制。由于TFBG的温度敏感性,在高功率激光传输时,利用一个商用的温度控制器补偿光纤因高功率引起的温度提升,可以获得了稳定的SBS抑制效果,为下一步在实际的高功率光纤激光系统中的应用提供了很好的参考。(4)基于啁啾TFBG的高功率光纤激光SRS抑制研究。重点分析了啁啾TFBG的Bragg反射波长在抑制SRS过程中对高功率光纤激光器输出性能的影响,将Bragg波长往长波方向移动,将有更小的拉曼增益系数,放大过程中可以避免因残余Bragg反射引起的随机拉曼激光的产生。将改进的CTFBG分别应用到高功率光纤激光放大器和振荡器中进行SRS抑制的实验研究,结果表明Bragg反射波长较长的CTFBG不易产生随机拉曼激光,可以更好地抑制SRS,改善激光输出特性。
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