掺镱长波光纤激光器中寄生振荡产生机理及抑制方法

The output power of Yb-doped long-wavelength fiber laser is 2-3 order of magnitudes lower than that of 1064 nm fiber laser, due to the limitation of parasitic oscillation. The main characters of parasitic oscillation in long-wavelength fiber laser, like spectra and threshold, exhibit significant difference from that in short-wavelength fiber laser. Therefore, classic theory of fiber lasers is not appropriate for analyzing the generating mechanism of parasitic oscillation in long-wavelength fiber lasers. At present, most reports of Yb-doped long-wavelength fiber laser are experimental results, still lacking of explanation of the parasitic oscillation in theory. Therefore, the present project will focus on the laser kinetics process of parasitic oscillation in long-wavelength fiber lasers both in theory and experiment. The distribution rules on each sub-energy-level and transition characteristics of Yb-ion will be studied theoretically. The influence of Yb-ion cross-section, concentration, pump wavelength, pump scheme, background loss, Rayleigh scattering and temperature on the threshold of parasitic oscillation will be investigated. Approaches to suppress or eliminate parasitic oscillation will be explored and demonstrated via theory and experiment. The ultimate goal of this project is to found general laws for the design and optimization of high power Yb-doped long-wavelength fiber laser.

寄生振荡是制约掺镱长波光纤激光器功率提升的关键因素。受限于寄生振荡，长波光纤激光器的输出功率比1064 nm波段功率低2-3个量级。与短波光纤激光器相比，长波掺镱光纤激光器中的寄生振荡在频域和阈值等方面存在明显的差异，利用现有的经典激光器理论无法作出合理解释。目前，对长波掺镱光纤激光器的研究仅停留在实验层面，缺少对寄生振荡建立过程的物理描述。鉴于此，本项目拟对掺镱长波光纤激光器中寄生振荡产生的激光动力学过程进行理论和实验研究。理论分析寄生振荡建立过程中各能级粒子数分布规律和跃迁特性；系统分析镱离子吸收发射截面、掺杂浓度、泵浦波长、泵浦方式、背景损耗、瑞利散射及温度等因素对寄生振荡阈值的影响；通过理论和实验探索抑制寄生振荡的有效方案，寻找掺镱长波光纤激光器的优化设计方法，为高功率长波光纤激光器奠定理论基础并提供实验支撑。

寄生振荡是限制长波（1120-1200nm）掺镱光纤激光器功率提升的主要因素之一。寄生振荡的出现将对激光器的输出功率、转换效率、光谱和时域特性造成严重影响，甚至损坏增益光纤或其他器件，因此获得高功率的长波掺镱光纤激光极为困难。鉴于此，本项目对掺镱长波光纤激光器中寄生振荡产生的激光动力学过程进行了理论和实验研究。建立了长波掺镱光纤激光器理论模型，理论分析了光纤长度、光栅反射率、瑞利散射、光纤损耗、工作温度等对寄生振荡阈值的影响。实验上对振荡器输出光栅反射率、掺镱光纤长度、泵浦方式、光纤损耗等因素在抑制放大自发辐射和寄生振荡方面的性能进行了详细讨论。总结出了设计高功率掺镱长波光纤激光器应遵循的一般规律。搭建了976nm半导体激光器泵浦的1150nm掺镱光纤激光器，实现了120W 的激光输出，为目前文献中公开报道的1120-1200nm波段最高输出功率。进一步开展了长波长激光在掺镱光纤中的放大研究。从理论上分析了种子功率、端面反馈、光纤参数对放大器性能的影响，搭建了1120 nm掺镱光纤放大器，获得了309 W的激光输出，光光效率71.5%。为突破寄生振荡对输出功率的限制，探索了基于镱离子和拉曼混合增益的长波光纤激光器。通过两对波长分别位于常规波段和长波波段的光栅构建复合腔振荡器，由镱离子中产生的常规波段激光，通过拉曼效应直接在腔内转换为长波激光，避免了寄生振荡的产生。对混合增益激光器开展了理论和实验研究，分析了掺镱光纤和传能光纤长度、光栅反射率、光栅波长间隔、纤芯包层比、泵浦方式等对激光器输出功率与光谱特性的影响。经理论优化和实验设计，搭建了1090nm-1150nm高功率掺镱-拉曼混合增益光纤振荡器，实现了110.8W的1150nm激光输出。基于20/400μm大模场双包层光纤，搭建了1080-1120nm混合增益光纤激光器，实现了最高132.3W的1120nm激光输出。本项目的研究成果可为千瓦级长波掺镱光纤激光器的设计提供理论依据和实验参考。