高功率光纤激光纤芯温度分布式在线测量

In high power fiber lasers, thermal damage, nonlinear effects and mode instability are closely related to the temperature distribution of the fiber core. Under the condition that the fiber laser operates on high power, the distributed on-line measurement of gain fiber core’s temperature can not only effectively estimate the stability of the fiber laser but also provide critical data for the study of the intrinsical mechanism and suppressing method of nonlinear effects and mode instability. This project is aimed to develop the technique of distributed on-line measurement of gain fiber core’s temperature, according to the fundamental of Optical Frequency Domain Reflectometry (OFDR). Based on the theoretical analysis of the temperature distribution in the gain fiber core, the physical model describing the dependence of the backward Rayleigh scattering signal on the gain fiber’s temperature distribution will be established according to the time-frequency characteristic of the pump light, signal light and probe light considering the multi-mode effects in large mode area gain fiber. An effective scheme about the distributed on-line measurement of large mode area double-cladding gain fiber core’s temperature will be worked out. A high precision and high resolution distributed real-time measuring platform will be established for monitoring the gain fiber core’s temperature in high power fiber lasers. The measuring result will be applied to the research of the mode instability and nonlinear effects. This project will provide technical support for the improvement of the output power and robustness, and offer a new perspective for the research of some basic physical problems in high power fiber lasers.

光纤激光器的热损伤、非线性效应、模式不稳定现象与光纤内部的温度分布紧密相关。在光纤激光器高功率运行情况下，实现增益光纤纤芯温度的分布式在线测量，不仅能科学的诊断激光器的工作稳定性，还能为研究非线性效应、模式不稳定的产生机理和抑制方法提供基础数据支持。本项目拟根据光频域反射技术(OFDR)的基本原理，研究增益光纤纤芯温度分布式在线测量的机理与方法。在增益光纤纤芯温度特性理论分析的基础上,根据泵浦光、信号光、探测光的时频特性，考虑大模场增益光纤的多模效应,建立高功率运转条件下增益光纤后向瑞利散射光信号与温度分布对应关系的理论模型；创建大模场双包层增益光纤纤芯温度分布式在线测量的有效方案；搭建实验平台，对增益光纤纤芯温度实现高精度、高分辨率的分布式在线监测；并将测量结果应用到非线性效应、模式不稳定等物理问题的研究中。为光纤激光器输出功率和稳定性的提升提供技术支撑，为基础物理问题的研究提供新思路。

光纤激光器在工业加工和国防军事领域有着广阔的应用前景。高功率光纤激光器的激光能量都被约束在数十微米的纤芯中，一旦局部位置温度过高，极易诱发光学放电现象，造成增益光纤的熔毁，严重影响其可靠性。此外，非线性效应、模式不稳定等限制光纤激光器亮度提升的因素也与纤芯中的温度分布紧密相关。在光纤激光器高功率运行情况下，实现增益光纤纤芯温度的分布式在线测量，不仅能科学的诊断激光器的工作稳定性，还能为研究非线性效应、模式不稳定的产生机理和抑制方法提供基础数据支持。.本项目基于光频域反射技术(OFDR)的基本原理，从理论和实验两方面研究了增益光纤纤芯温度的分布式在线测量方法，主要研究内容有以下4个方面。.基于速率方程理论和热传导理论，建立了完善的增益光纤温度分布表征模型，仿真分析了光纤放大器、振荡器中增益光纤的温度分布，能够分析各种因素（包括：光纤激光器构型、信号光、泵浦光吸收、谱线宽度、ASE等）对光纤温度的影响。.建立了OFDR技术测量温度分布的理论模型，分析了影响温度测量的各种因素，发现光纤激光器输出的背景激光会严重影响瑞利散射回光的信噪比。使用WDM抑制背景激光和选取模场匹配、数值孔径匹配的测量光纤、增大光纤弯曲半径减小信号光损耗能够有效提高测量信噪比。.完成了OFDR技术测量增益光纤温度分布的校准与标定，搭建了增益光纤温度分布在线测量实验平台，测量了百瓦级光纤放大器、振荡器增益光纤纤芯的温度分布，发现前端熔点的温升可达近百度，极易成为光学放电的源头。.发明了具有温度纵向调制功能的高功率光纤激光器热管理装置，应用测温技术，验证了装置的温度调制能力，研究了不同调制深度下对非线性效应的抑制能力，实现了3.3dB的SBS抑制效果。.本项目具有重要的科学意义，为高功率光纤激光器亮度和可靠性的提升提供了重要的技术支撑，为非线性效应、模式不稳定等基础物理问题的研究提供了重要的数据支持。