自适应非保偏—保偏光纤激光转换技术研究

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高功率、高亮度的线偏光纤激光在非线性频率变换、引力波探测、激光通信、长距离传感、光束合成等领域有着广泛的应用。目前,获得高功率高亮度的线偏激光主要采用基于保偏光纤以及偏振相关器件的保偏光纤激光器。在保偏光纤激光器中,受激布里渊散射、受激拉曼散射等非线性效应和模式不稳定阈值要比同等条件下非保偏光纤激光器阈值低,保偏器件工艺复杂,价格昂贵,保偏光纤的切割、熔接等工艺难度较大。因此,一般而言,保偏光纤激光器输出功率比非保偏光纤激光器的输出功率低。为了获得更高功率的线偏振光纤激光,本文提出了自适应非保偏—保偏激光转换的技术方案,将非线偏振激光直接转为高消光比的线偏振激光。论文对基于偏振控制器和锁相控制原理的非保偏—保偏激光转换的技术展开了详细的理论和实验研究,主要内容包括:首先,介绍了保偏光纤激光器的发展现状和功率限制因素,指出了自适应偏振转换技术实现高功率保偏激光的可行性;回顾了国内外研究人员在偏振控制领域的研究成果,总结了偏振控制技术在传感、通信、光束合成等领域的发展现状。其次,提出并设计了基于偏振控制器的自适应非保偏—保偏激光转换控制系统,开展了详细的理论和实验研究。理论上给出控制系统的基本结构和工作原理,建立了基于偏振控制器的偏振转换系统的理论模型。基于随机并行梯度下降算法,数值模拟了算法的增益系数和扰动精度、偏振控制器的控制精度和步进增益以及激光器稳定性等因素对偏振转换效果的影响。结果表明,通过优化随机并行梯度下降算法的参数以及偏振控制器的参数可以获得高消光比的线偏振光。在理论研究的基础上,搭建了基于偏振控制器的自适应转换系统。根据系统的响应特性,改进了控制程序,分别进行了低功率种子光条件下和高功率放大器条件下的自适应偏振转换。实验结果表明:无论是非保偏的种子源还是高功率放大后的非保偏激光均可以利用偏振转换技术实现高消光比的偏振转换,此外,利用此结构可以对输出光束进行任意角度的转换输出。然后,提出并研究了基于偏振锁相的自适应转换控制系统。理论上,给出了控制系统的基本结构和工作原理,建立了基于偏振锁相的偏振转换系统的理论模型,分析了系统的重叠误差、倾斜误差,闭环时的锁相残差以及合成光束的光强不同等因素对偏振转换效果的影响。结果表明,系统重叠误差与倾斜误差通过在合成处的不重合与光能泄漏影响系统的转换效率,重叠误差会影响输出的偏振度,但倾斜误差并不影响输出的偏振度。在锁相残差较小的情况下可忽略两路光强不同对偏振度与转换效率造成的影响,因此,锁相残差是影响系统合成效率与偏振度的关键因素。实验上,分别搭建了全光纤结构与空间结构的基于锁相控制的实验平台。在全光纤偏振转换系统中,将非保偏的激光的消光比从5dB提高到了17.2dB。在空间结构系统中,最终获得了偏振度为93.5%的高消光比激光。最后,提出了直接将高功率宽谱非保偏激光器输出激光转换为线偏振激光的方案。分析了方案的可行性,研究了在宽谱光源的条件下利用基于偏振锁相的自适应转换系统进行偏振转换的可行性,并设计了初步的系统结构。本文通过理论和实验研究提出了基于偏振控制和偏振锁相非保偏—保偏光转换技术方案的可行性,为实现高功率线偏振激光提供了一定的参考。
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