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1、高功率掺镱光纤主振荡功率放大系统研究Study of High Power Ytterbium-doped Fiber Master-Oscillator Power-Amplifier System学科专业：光电子技术研 究 生：张伟毅指导教师：宁继平 教授天津大学精密仪器与光电子工程学院二零一二年六月独创性声明本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作和取得的研究成果，除了文中特别加以标注和致谢之处外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得 天津大学 或其他教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的
2、说明并表示了谢意。学位论文作者签名： 签字日期： 年 月 日我是爱天大的！学位论文版权使用授权书本学位论文作者完全了解 天津大学 有关保留、使用学位论文的规定。特授权 天津大学 可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，并采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编以供查阅和借阅。同意学校向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘。（保密的学位论文在解密后适用本授权说明）学位论文作者签名： 导师签名：签字日期： 年 月 日 签字日期： 年 月 日摘 要种子源主振荡功率放大(MOPA)系统具有高斜率效率、输出脉冲特性可以通过种子光源控制等优点，因而成为近年来高脉冲能量、高峰值功率脉冲激光
3、输出系统的主要方式。本论文对采用掺镱光纤的高功率 MOPA 进行了理论和实验方面的研究，重点研究了工作在较低重复率脉冲输出状态的高功率脉冲 MOPA 系统。论文的主要工作和创新点如下：1.首次对泵浦功率 1001000W 的超高功率连续和脉冲状态掺镱光纤放大器(YDFA)进行了详细的理论模拟，分别研究了不同泵浦功率下，信号峰值、脉宽、重复率参数变化对放大效果的影响。模拟发现相邻脉冲之间的放大自发辐射(ASE)功率增长速度随泵浦功率的增加而极快的增大，以至于脉冲重复率降到几十 kHz 量级以下时， ASE 功率超过了信号平均功率，这在普通高功率 YDFA 中观察不到。2.首次模拟分析了增益光纤中
4、的 ASE 功率分布情况随时间的演变过程，发现了正向 ASE 功率分布曲线的峰值位置随着时间增加向光纤输出端移动的现象，由此解释了正向 ASE 功率增长慢于反向 ASE 功率的原因，提出了“ASE 建立时间”的概念。3.首次模拟研究了脉冲泵浦状态下，不同泵浦脉冲宽度对信号脉冲放大效果的影响，发现信号脉冲的放大效果并非一直随泵浦脉宽的增加而增强，而是存在一个放大效果最强的泵浦脉宽；找到了不同泵浦功率下放大效果最强的泵浦脉冲宽度，综合比较了不同泵浦脉宽进行放大时的泵浦能量消耗、ASE 功率、输出脉冲峰值。4.首次研究了脉冲泵浦 YDFA 中信号脉冲与泵浦脉冲的时间匹配对放大效果的影响。发现当信号脉
5、冲峰值位于泵浦脉冲末尾时，能得到最强的放大效果；若信号脉冲注入时间略有延迟，放大效果会有比较明显的减弱。而且发现泵浦功率越大时，信号脉冲经过相同延迟时间之后，其放大效果减弱的程度越严重。5. 对掺镱光纤 MOPA 系统的信号源激光器和采用脉冲泵浦方式的功率放大级分别进行了实验研究。通过优化放大级的泵浦脉冲宽度，成功把放大后输出光的 ASE 功率降到了连续泵浦状态下的 1/8，同时信号脉冲峰值功率略高于连续泵浦。实验证明了脉冲泵浦方式与传统的连续泵浦方式相比，在抑制 ASE 功率方面有明显优势，与理论模拟的结论相符。关键词： 高功率光纤放大器；主振荡功率放大；脉冲泵浦；放大自发辐射ABSTRAC
6、TIn recent years, the master-oscillator power-amplifier (MOPA) scheme becomes the main choice of high energy, high peak power pulsed laser systems due to its many advantages, such as high slope efficiency and easily manageable output pulse characteristics via the control of the seed source.In this t
7、hesis, high power MOPAs based on ytterbium-doped fibers are studied both theoretically and experimentally with an emphasis focused on low repetition, high power pulsed MOPA systems. The main work and findings are summarized bellow:1. Ultra high power pumped continuous-wave and pulsed ytterbium-doped
8、 fiber amplifiers (YDFAs) under a pump power in the range 1001000W are systematically studied via numerical simulation for the first time, to the best of my knowledge. The influences of the peak power, pulse width, and repetition rate of the signal pulse on the performance of the amplifier under dif
9、ferent pump-power levels are studied. The results show that the accumulation speed of the amplified spontaneous emission (ASE) power between two adjacent pulses increases drastically with the increasing of the pump power. When the repetition rate of the signal decreased to several tens of kHz, the A
10、SE power surpasses the signals average power, which usually can not be observed in conventional high power pumped YDFAs(95%），在光纤激光器中用电光调 Q 开关作为调 Q 方式可以得到纳秒量级的脉冲，但是电光调 Q 工作时，电光晶体需要加上几千伏的高电压，会对附近的设备产生严重的电磁干扰 87。综上所述，相比于其他类型的调 Q 方式，声光调 Q 虽然存在着开关时间慢的缺点，但是由于它具有调制电压低、光学损耗小、调制重复频率高、衍射效率高、脉冲周期稳定等优点，所以采用声光开关
11、调 Q的双包层光纤激光器在激光加工，军事领域，激光医疗，光通信等方面的应用上很具有吸引力 88-94。在现今的主动调 Q 式双包层光纤脉冲激光器中，声光开关因其上述优点，成为了一种常见的调 Q 方式，近年的论文中，有许多高功率调 Q 双包层光纤激光器采用了声光调制器(AOM)作为调 Q 开关。本节实验中的主动式调 Q 光纤激光器就采用了声光开关作为调 Q 方式。调Q 部分如 图 5-13 所示，用一对带尾纤的光纤准直器把光从光纤中耦合出来，形成一段自由空间光路，在这段光路中加入 AOM，用 AOM 控制光路的通/断状态，起到 Q 开关的作用。图 5-13 实验中所用主动式 Q 开关结构图大部分
12、采用 AOM 作为调 Q 开关的脉冲光纤激光器结构中，都要把光从光纤中耦合出来形成自由空间光路，经过 AOM 调制后再耦合进入光纤中。现有发表的大多数关于这些 AOM 调 Q 激光器的论文中，上述的光路耦合过程都是通过透镜完成的 95-97，而 图 5-13 中所示调 Q 开关与这些论文报导的激光器中声光调 Q 开关的最大区别在于，采用了带尾纤的光纤准直器而不是透镜作为自由空间光路的耦合方式。光纤准直器由一根光纤和与之相连的柱状梯度折射率透镜(graded-index rod lens，简称 GRIN 透镜) 组成。 GRIN 透镜是一根折射率在轴向均匀分布、在径向不均匀分布的圆柱形透明介质棒
13、，其折射分布沿径向的分布情况如式(5-3) 98-100：(5-3)式中 n0 为柱透镜轴心位置的介质折射率，r 为离轴距离， A 为常数，由式可知，GRIN 透镜轴心位置的折射率最大，离轴越远的折射率越小。再分析这种柱状介质中过轴光纤的传输矩阵可知，这样的折射率分布情况会导致经过柱透20()1)Arnr第五章 掺镱光纤 MOPA 系统信号源激光器的实验研究95镜轴的光线都沿着类似正弦形曲线的光路行进 101。如 图 5-14 所示，为不同角度的过轴光线在 GRIN 透镜中行进一个周期的示意图，过轴时角度不同的光会沿着不同振幅的正弦曲线行进，因此光线会在柱透镜中不停地发散、会聚，每半个周期发散
14、、会聚一次。图 5-14 GRIN 透镜中过轴光线的正弦形光路应用在光纤准直器中的 GRIN 透镜为 图 5-14 中所示整个周期的四分之一长度，于是柱透镜就起到了把光从点光源(光纤与柱透镜在尺度上很小，可看作点光源)扩展成平行光束的作用。与之相对的另一个准直器则把平行光会聚进入光纤中，如 图 5-15 所示。图 5-15 光纤准直器中的 1/4 周期 GRIN 透镜我们实验中所用的调 Q 开关，即是在 图 5-15 所示的一对光纤准直器中间加入 AOM 组成，其结构在前面的 图 5-13 中已经画出，不过与 图 5-15 不同的地方就是准直器所用的透镜为 C 透镜，而不是 GRIN 透镜。C
15、 透镜的工作原理与GRIN 透镜完全相同，区别只在于对外的端面为球面，而 GRIN 透镜则为平面102。端面为球面的 C 透镜优势在于，当两准直器的间距较大时，其插入损耗方面的表现要优于平面的 GRIN 透镜，因而在目前的光通信、遥感、检测等光纤系统中，大部分都使用了 C 透镜作为部件的光纤准直器 103-106。5.2.3 主动式声光调 Q 掺镱光纤激光器的实验结果先分析激光器的电流-功率特性。一开始时，关闭 AOM 的驱动电源，让调Q 开关处于打开状态，这时候光纤激光器工作在输出为连续光的状态，调节泵第五章 掺镱光纤 MOPA 系统信号源激光器的实验研究96浦源的驱动电流，发现当驱动电流增
16、加到 1.8A 时，激光器输出端开始有激光输出。逐渐增大电流，记录下不同大小的驱动电流下对应的激光器输出功率，电流大小以 0.1A 为间隔，从 1.8A 增大到 2.8A 为止，一共 11 个数据，画出图形如 图 5-16 所示。图 5-16 中横轴为泵浦源 LD 的驱动电流大小，单位安培(A)；纵轴为激光器输出功率大小，单位毫瓦(mW) 。由图可见，激光器工作在连续状态时，其输出功率是以线性规律随泵浦电流增大而增长的，如果忽略掉测量误差的话，所画出的激光器连续状态下电流-功率特性图基本是一条直线，当泵浦驱动电流增大到 2.8A 时，激光器输出功率为 150 毫瓦。前文已知泵浦源 LD 的驱动电流-输出光功率具有很好的线性关系，因此在实验的过程中，可以用比较直观的泵浦LD 驱动电流的大
