窄线宽短脉冲光纤激光器受激布里渊散射的动力学特性研究

Due the intrinsic advantages in excellent temporal coherence and beam quality, narrow-linewidth fiber laser (NLFL) can be widely applied in the fields like earth science, atomics physics, frequency transformation, beam combination and so on. Limited by the Stimulated Brillouin Scattering effect, the maximal output power of NLFL is limited at 500 watt level for many years. We propose a novel method to suppress the SBS in NLFL. We will use narrow-linewidth fiber laser in short pulse regime to reduce the response time of gain medium for the SBS process, and high-average-power fiber laser can thus be realized. In this project, we will build the mathematical model of the dynamics of SBS in NLFL, clarify the effect of the property of the pulsed laser in time-domain, frequency domain and spatial domain on the SBS effect, and illustrate the effect of complex coupling between the laser and the stokes beam on the property of the output laser beam in time-domain, frequency domain and spatial domain. Then we will provide a theoretical design frame for the experimental study of high power NLFL, which would be a convincing complement to the modern nonlinear fiber optics scheme. Based on the theoretical study we will carry out high power test of NLFL, our aim is to realize a kilo-watt level NLFL for the first time.

窄线宽光纤激光器具有时间相干性好和光束质量高的优点，在地球科学、原子分子物理、频率变换、光束合成等领域有广泛的应用前景。受限于SBS效应，窄线宽掺镱光纤放大器的输出功率迟迟未能突破500W。本项目提出一种新颖的抑制SBS效应的方案，采用短脉冲激光减少SBS过程的介质响应时间，从而获得高平均功率的窄线宽光纤激光。项目建立窄线宽短脉冲光纤激光器的SBS动力学物理模型，阐明脉冲激光的时、频、空域特性对SBS效应的影响，以及Stokes光与激光产生的复杂非线性耦合对输出激光时、频、空域特性的影响，推演出一套完整的用以指导高平均功率窄线宽光纤激光器的设计理论，填补非线性光纤光学基础领域的研究空白。建立起高功率窄线宽短脉冲光纤激光器实验研究平台，力争在国际上首次实现窄线宽光纤激光器千瓦（以上）高功率输出。

建立了窄线宽脉冲光纤激光受激布里渊散射（SBS）效应的理论模型，提出了预估脉冲激光SBS阈值的“相互作用长度”概念并实验验证；研究了考虑声波场瞬时响应因素情况下短脉冲SBS过程，建立多模光纤中的SBS模型；分析了窄线宽激光在高功率放大过程中的线宽演化特性，开展了窄线宽脉冲光纤激光的功率放大和相干合成实验，得到了高功率窄线宽脉冲激光器的设计理论。取得的主要成果有：.1、基于光纤中的三波耦合方程，研究了脉冲激光的脉宽、重频和脉冲波形，以及光纤长度等对SBS阈值的影响。提出了相互作用长度这一概念并定义了其数学表达式。理论和实验研究了SBS阈值与相互作用长度之间的关系，证明了相互作用长度能够综合反映脉冲激光在光纤中的SBS强度。.2、建立了能够描述多模光纤内SBS动力学特性的理论模型。考虑了多模光纤的波导特性对光声场分布的影响以及不同的光光、光声模式之间的相互耦合，包括群速度色散、自相位调制以及交叉相位调制。为了解决光纤激光器和放大器中与SBS相关的问题，将上述模型推广到了多模增益光纤。.3、建立了较为完善的描述高功率窄线宽脉冲光纤激光器非线性动力学的理论模型，考虑了多模增益光纤中群速度色散、自相位调制、交叉相位调制、四波混频、受激布里渊散射、布里渊增强的四波混频、受激拉曼散射等非线性效应以及增益饱和导致的模式竞争对激光输出时、频以及空域特性的影响，可以用于指导高功率窄线宽光纤激光器和放大器的设计和实验研究。.4、开展了窄线宽纳秒脉冲光纤功率放大实验研究。基于掺杂离子光纤放大器，实现了高平均功率窄线宽纳秒脉冲激光输出，最高输出功率913 W，为公开报道的最高值。.5、开展了纳秒脉冲光纤激光相干合成的实验研究。实现了七路1200 W平均功率的脉冲激光相干放大阵列，在国际上首次实现了脉冲激光相干合成千瓦级功率输出。