基于泵浦调制的高功率光纤激光器过冲效应抑制技术研究

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高功率光纤激光器以其良好的性能在工业、国防和医学等领域中取得重要应用。然而,随着输出功率的不断提升,过冲效应造成光纤中产生超高的激光功率密度和大量沉积的热负荷,成为破坏光纤激光器输出特性及限制功率进一步提升的主要因素之一。如何有效抑制过冲效应已成为亟待解决的难题之一。通过优化增益光纤长度、光纤光栅反射率、泵浦波长以及泵浦方式等方法能够抑制过冲效应,但优化这些参量会引起激光输出功率、光束质量及光谱特性发生变化。因此,本文提出基于泵浦调制的高功率光纤激光器过冲效应抑制方法。针对过冲效应产生机理及抑制问题,从高功率光纤激光器的系统结构和工作原理出发,基于速率方程和功率传输方程,仿真分析了光纤激光器的静态特性和瞬态特性;基于激光过冲的动力学方程,采用小信号近似法求得激光过冲的解析解,并仿真分析过冲效应的产生机理及其影响因素。最后,结合光纤激光器过冲效应的理论模型与仿真结果,提出基于泵浦调制技术的高功率光纤激光器过冲效应抑制方法。针对泵浦调制技术,在线性闭环负反馈的基础上加入模拟PID控制器和时间滞后网络,设计适用于高功率光纤激光器的泵浦调制电路,并对其调制性能进行仿真验证。设计并搭建了泵浦源测试平台、光纤熔接损耗测试平台及合束器效率测试平台,对各光学器件进行一系列实验分析,在此基础上搭建了750 W光纤激光振荡器系统。同时,设计适用于750 W光纤激光器的激光电源及控制系统,并对系统中的各功能模块进行硬件设计与实现,在此基础上搭建了各参数符合预期要求的激光电源及控制系统。为了验证泵浦调制技术对高功率光纤激光器过冲效应的抑制效果,将激光电源及控制系统应用750 W光纤激光振荡器进行实验研究。实验研究结果表明:750 W光纤激光器经泵浦调制后,峰值功率为1450 W的激光过冲衰减了2.86 d B,达到激光额定功率缓升时间小于1 ms,最终实现750 W光纤激光器无过冲输出。
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