高功率大模場光纖的光傳輸放大特性研究

為了克服非線性效應(yīng)、光學(xué)損傷等物理因素對光纖激光功率擴(kuò)展帶來的限制，目前普遍采用大模場光纖來突破這些限制。但隨著光纖芯徑的增大，又會(huì)激發(fā)高階模造成激光光束質(zhì)量的下降，且橫向模式也會(huì)影響小寬帶脈沖的光譜和時(shí)間波形，因此獲得高功率、高光束質(zhì)量的保真脈沖輸出是大模場光纖激光系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù)。本論文圍繞大模場光纖的橫向模式特性對小寬帶脈沖的時(shí)譜特性及輸出的近場分布影響展開理論和實(shí)驗(yàn)研究。首次論證了橫向模式干涉效應(yīng)對相位調(diào)制脈沖幅頻效應(yīng)的影響，研究了小寬帶脈沖及模場的傳輸放大特性。以此為依據(jù)，設(shè)計(jì)了mJ級(jí)近基模輸出的全光纖放大系統(tǒng)。

首先,研究了大模場無源光纖中模場分布的解析及數(shù)值求解方法，基于這種理論模型得出了有源光纖在增益小于100dB/m的情況時(shí)模場分布可以近似為無源光纖的本征模場分布，基于模場傳輸及分布特性建立了橫向模式干涉的理論模型。首次研究了大模場光纖放大器中模間干涉效應(yīng)對近場分布及對相位調(diào)制脈沖時(shí)譜特性的影響。在大模場光纖放大器的輸出端面，不同波長對應(yīng)模式間的相位差不同且高階模式在不同端面位置處的偏振不同，多個(gè)模式干涉后造成光纖端面不同位置處的光譜傳遞函數(shù)不同，使得光纖輸出的相位調(diào)制脈沖具有時(shí)空分布特性。由于模式正交性，光纖整個(gè)端面輸出的脈沖調(diào)制度的統(tǒng)計(jì)結(jié)果為零。首次分析了甚多模模間干涉效應(yīng)對相位調(diào)制脈沖時(shí)譜特性的影響，得出模式數(shù)量越多，光譜傳遞函數(shù)的調(diào)制周期越小，對相位調(diào)制脈沖的幅頻效應(yīng)影響越大。這種結(jié)果對實(shí)驗(yàn)測量具有有益的指導(dǎo)作用，對小寬帶保真?zhèn)鬏敺糯蟮娜饫w系統(tǒng)的設(shè)計(jì)提出了更高的模式控制的要求。結(jié)合速率方程和Ginzburg- Landau方程，分析了寬帶脈沖放大過程中的時(shí)譜特性的變化情況，得出造成脈沖畸變的主要因素為增益飽和效應(yīng)，這可以通過脈沖預(yù)整形或采用高斯脈沖有效抑制，而其增益不均勻性對相位調(diào)制脈沖幅頻效應(yīng)影響不是很大，約為3%。

理論計(jì)算結(jié)果顯示信號(hào)光的功率放大到數(shù)MW的高功率后，高功率激光會(huì)造成模場畸變和自聚焦特性,且高階模并不能提高光纖的自聚焦閾值。針對階躍大模場光纖的模式控制技術(shù)，理論分析和數(shù)值計(jì)算結(jié)果得出增益濾模是簡單有效且減小小寬帶脈沖畸變的模式控制方法，配合模場適配器使用，可以有效避免高階模的激發(fā)及模間干涉效應(yīng)，減少損耗。對于彎曲選模，根據(jù)模式匹配原理提出了一種新型錐形繞纖器。

基于本論文的理論與實(shí)驗(yàn)結(jié)果，設(shè)計(jì)了mJ級(jí)近基模輸出的全光纖放大系統(tǒng)，并進(jìn)行了初步的實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。