基于长周期光纤光栅的光纤激光器受激拉曼散射的抑制方法研究

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近年来,在国内外研究人员的共同努力下激光技术已得到快速发展。其中光纤激光器以其良好的光束质量、高量子效率、高光光转换效率、高功率、宽波段、结构紧凑、运转可靠、性价比高、全固化等显著特点成为新一代激光器的代表。然而,随着光纤激光器输出功率的不断提升,受激拉曼散射(SRS)效应已成为破坏光纤激光器输出特性及阻碍激光器功率进一步提升的主要因素。因此如何有效抑制连续高功率光纤激光器SRS效应已成为目前高功率激光领域亟待解决的重大难题。目前,研究人员多通过大模场光纤或特殊结构的光纤抑制光纤激光器SRS效应。但是,以上方法因制作工艺复杂及成本高等问题难以广泛应用。因此,本文提出基于长周期光纤光栅(LPFG)抑制光纤激光器受激拉曼散射(SRS)效应的方法并对该方法展开了研究。具体研究内容如下:针对光纤激光器输出功率过高易激发SRS效应的问题,本文从光纤激光器的基本原理以及SRS效应产生机理出发,提出了一种基于紫外光刻法制备的LPFG抑制光纤激光器SRS效应的方法。针对如何设计及刻写具有抑制SRS效应的LPFG,本文研究了LPFG耦合理论及数学模型,并在耦合模型的基础上仿真及总结了了光栅周期、光纤折射率调制深度、光栅周期个数等重要参量对LPFG光谱的影响规律。最后,结合LPFG数理模型及仿真结果设计出符合要求的具有抑制SRS功能的LPFG。为了刻写具有抑制SRS功能的LPFG,本文设计并搭建了具有实时在线监测功能的紫外激光逐点刻写系统,并基于该系统刻写出符合指标要求的LPFG。在刻写LPFG的过程中,实验分析并总结了光栅周期、紫外曝光量、光栅周期个数等参量对LPFG某一损耗峰光谱的影响规律。同时,为使LPFG具有承载高功率激光的能力,使用低温缓变及高温渐变相结合的热处理方法对LPFG进行了退火处理。实验结果表明,该退火方法使LPFG温度系数由0.452℃/W优化至0.017℃/W,大大提升了LPFG承载高功率激光的特性。基于以上研究,本文成功制作出各参数符合预期要求且具有承载高功率激光特性的LPFG。为了验证本文研制的LPFG对连续光纤激光器SRS效应的抑制效果,将LPFG分别应用于单振荡级光纤激光系统及主振荡功率放大(MOPA)型光纤激光系统进行实验研究。实验研究结果表明:LPFG对单振荡级光纤激光器SRS效应抑制率超过15d B(96.8%);LPFG(置于种子源中)对MOPA型光纤激光器SRS效应抑制率超过8.3d B(85.2%)。
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