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作者：

曹睿婷

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摘要：

掺镱光纤激光器具有转换效率高,光束质量优良以及结构紧凑等优点,因此被广泛应用于工业和军事等领域.然而,掺镱光纤的光子暗化效应会导致激光性能恶化并降低系统的长期稳定性.本论文聚焦于高功率掺镱光纤激光器中的光子暗化效应,重点探究了光子暗化效应产热及其对激光功率和模式性能的影响.本文首先介绍了基于改进的化学气相沉积法制备光纤预制棒的原理和技术以及光纤拉丝工艺,分析了高性能掺镱光纤制备的关键点.在光纤性能表征方面,全面介绍了光纤基本参数及其表征技术.建立了以附加损耗表征光子暗化效应的方案,重点分析了镱离子浓度,反转粒子数和温度对光子暗化效应的影响,发现温度升高会引起暗化速率加快和附加损耗上升,也会导致可见光波段与1μm波长处附加损耗之间的比例下降.探究了光子暗化效应对短腔激光器热负载的影响,并分析了镱离子浓度对光子暗化热负载的影响规律.研究了不同光子暗化抑制方法对热负载的抑制效果,发现载氢能有效抑制光子暗化效应及其热负载,而铈离子共掺会引入额外的热源.同时,建立理论模型探究了光子暗化效应对热致模式不稳定的影响,结果表明光子暗化效应会严重降低模式不稳定阈值,而采用反向泵浦或降低镱离子浓度有利于减弱该现象.在高功率系统中,通过实验进一步探究了光子暗化效应与模式不稳定之间的联系.在千瓦级光纤放大器中对原始光纤进行拷机实验,运行过程中出现光子暗化效应引起的纤芯激光泄漏现象,使输出功率发生准周期性波动且幅度超过100 W,运行300分钟后模式不稳定阈值下降19.8%.由于载氢技术能有效抑制光子暗化效应及其热负载,因此探究了载氢对高功率光纤放大器的影响.对载氢光纤进行300分钟拷机实验,在运行过程中输出功率保持稳定且无模式不稳定现象.载氢技术有效地改善了高功率光纤放大器的激光性能.最后,采用载氢光纤搭建了输出功率为3 k W的光纤放大器,在输出功率为2600 W时稳定运行1小时,M~2因子保持在1.4左右.针对已存在的光子暗化效应,提出532 nm光漂白方法,在702 nm处可消除97.5%的光子暗化附加损耗.在高功率系统中532 nm光漂白展现了良好的应用前景,漂白辐致暗化光纤使其斜率效率从37.1%提升到67.9%,模式不稳定阈值提升超过1.5倍.重点研究了光漂白对准静态模式退化现象的影响.在辐致暗化光纤中观察到准静态模式退化现象,随着泵浦功率升高,光束质量恶化,输出光斑呈LP_(11)型而M~2因子上升到2.30.光漂白使准静态模式退化现象得到有效抑制,输出光斑恢复为LP_(01)型而M~2因子恢复为1.65.基于电子顺磁共振测试结果,探索了光子暗化与漂白的机理,验证了铝氧空穴中心是光子暗化效应中的重要缺陷.以上研究结果为实现高功率光纤激光器功率攀升和维持激光器功率与模式稳定的长期运行提供了技术支撑.

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