高功率掺铥双包层石英光纤激光性能研究

摘要

高功率掺铥光纤激光器在军事、医学等领域有着广泛的应用。掺铥石英光纤作为其核心器件之一决定着掺铥光纤激光器的绝大部分性能。由于涉及到军事国防，国外高性能掺铥石英光纤对我国禁运，因此大力发展自主研发的高功率掺铥光纤有着重大意义。本论文基于高功率掺铥光纤激光器关键技术和自建平台，以实现国产掺铥光纤高功率输出为主要工作；并基于掺铥光纤的辐照环境应用需要，探究了掺铥光纤的辐照特性。
　　本论文首先从掺铥光纤理论出发，阐述铥离子在石英光纤中光学特性和相互作用；详细介绍了在不同暗化源的作用下，掺铥石英光纤的光子暗化现象。掺铥光纤的光子暗化是铥离子在泵浦源的作用下发射高能光子，使石英光纤产生色心缺陷；根据铥离子的能级结构，分析了掺铥石英光纤的泵浦机制。基于普遍采用的793nm泵浦方式，分析了掺铥光纤中的温度分布。
　　基于MCVD制棒工艺和液相掺杂技术，介绍了高性能双包层掺铥石英光纤的制备过程。
　　基于低损耗熔接技术，高衰减包层光滤除技术和端帽的制作阐述了高功率掺铥石英光纤测试平台和掺铥光纤激光器的搭建。低损耗熔接是实现全光纤激光器的关键；包层光滤除是为了保证激光器输出的单色性和光束质量；端帽用于保护大功率激光器的输出端头和抑制反射光对光纤器件的损伤。采用纤芯和包层直径比为10/130的双包层掺铥光纤搭建直腔结构掺铥光纤激光器，实现23.6W输出，斜率效率52.36％，中心波长2002nm；采用25/250双包层掺铥石英光纤搭建百瓦级直腔结构掺铥光纤激光器，实现121W输出，斜率效率51%，中心波长1915nm；采用25/400的双包层掺铥石英光纤搭建MOPA结构掺铥光纤激光器，实现294W输出，斜率效率49.61%，中心波长1981nm。基于1915nm掺铥光纤激光器泵浦，研究了25/400双包层掺铥石英光纤同带泵浦下的激光特性。实现了63W输出，中心波长1981nm，斜率效率79%。同带泵浦下掺铥光纤的斜率明显高于793nm泵浦下的斜率效率，且实验证明掺铥光纤热管理相对简单一些。采用包层同带泵浦方式泵浦外包层为掺 F玻璃层的掺铥光纤是实现几千瓦级甚至更高功率的2μm激光的可行方法。
　　基于稀土掺杂光纤在辐照环境应用需要，探究了掺铥石英光纤在辐照环境中的光学特性，并发现了掺铥光纤具有泵浦漂白特性。掺铥石英光纤在受到伽马射线辐照后，其激光斜率下降；在可见光及近红外波段出现明显的附加吸收损耗。且辐照剂量越大，上述现象越明显。在793nm半导体泵浦源稳定持续泵浦下，掺铥光纤的输出功率会渐渐提升，斜率效率明显回升，在可见光及红外波段的附加吸收损耗也逐渐消失，即掺铥光纤在自身泵浦源的作用下，其光纤性能得到了恢复，说明掺铥光纤具有泵浦漂白特性。

目录

声明

1 绪 论

1.1 引言

1.2 掺铥光纤激光器的国内外发展

1.3 本论文研究内容

2 掺铥光纤理论基础

2.1 石英光纤中铥离子特性

2.2 掺铥石英光纤光子暗化

2.3 掺铥双包层石英光纤基本参数

2.4 掺铥光纤的泵浦机制分析

2.5 掺铥光纤激光器中TDF的热分析

2.6 本章小结

3 掺铥双包层石英光纤的制备

3.1 掺铥石英光纤预制棒

3.2 预制棒处理和拉丝

3.3 本章小结

4 掺铥光纤激光性能测试及掺铥光纤激光器的搭建

4.1 高功率光纤激光技术

4.2 793nm泵浦下双包层掺铥石英光纤测试

4.3 同带泵浦下的激光特性

4.4 本章小结

5 辐照环境下掺铥石英光纤的激光特性

5.1 稀土掺杂石英光纤的辐照特性研究现状

5.2 500Gy下掺铥石英光纤辐照特性

5.3 多剂量下掺铥石英光纤辐照特性

5.4 本章小结

6 总结与展望

6.1 总结

6.2 展望

致谢

参考文献

附录1 攻读博士学位期间发表论文及申请专利目录