一体化高功率掺铥光纤激光器的关键技术研究

掺铥光纤激光器发射谱覆盖1.5到2.2微米波长段，涵盖两个大气窗口和一个水强吸收带，位于眼安全区，在军事、医疗、无线光通信、工业等领域应用前景广泛，尤其2.0微米段的激光输出可解中红外军用激光泵浦源的燃眉之急。其输出功率和发展速率已超越铒镱共掺光纤激光器，正从百瓦级向千瓦级迈进。本课题根据一体化高功率掺铥光纤激光器的发展需求，从石英基掺杂机理着手，改进MCVD在线掺杂工艺和预制棒处理技术，将石英基掺铥光纤的低损耗区向2微米段延伸；研究不同掺杂元素对光纤特性的影响，通过共掺元素的新方案，解决掺铥光纤中增益、光敏和纤芯数值孔径等多因素的综合平衡问题；针对大模场面积与单模的矛盾，设计新型光子晶体大模场面积单模双包层掺铥光纤；研究一体化光纤光栅的波长控制技术、封装技术，实现高稳定一体化光纤光栅谐振腔；同时在理论和实验两方面开展多路耦合器及热控问题的研究，推动千瓦级高功率掺铥光纤激光器的研究步伐。

按照任务书要求，本项目针对一体化高功率掺铥光纤激光器的关键技术开展深入的理论和实验研究工作。在理论研究方面，开展了石英基光纤掺杂物理机制研究，建立了掺杂非晶态二氧化硅的模型，为光敏、高掺杂及数值孔径间的平衡问题的解决奠定了基础；建立了适用于二氧化硅单组分疏松层的热力学模型，为高质量光纤预制棒的制作提供了保证；建立了掺铥光纤激光器速率方程模型和高功率双包层光纤激光器中热效应抑制模型，提出一套通过合理安排抽运方式实现光纤均匀温度分布和较低的最高工作温度并确保斜率效率最大的优化算法。在实验研究方面，研制出模场面积高达3000平方微米的六孔型大模场面积光纤；提出并研制出了一种抗弯曲的大模场面积光子晶体光纤，在弯曲半径30cm时模场面积仍可达为2242平方微米，弯曲敏感角为60度，是目前报道的最好水平；针对光子晶体光纤制作工艺缺陷问题，首次提出了一种基于数字图像处理技术和有限元方法相结合的实时监测模型，对光子晶体光纤工艺参数实现了在线优化，实现了实际光子晶体光纤特性的快速间接测量；在所研制的六角形双包层掺铥光纤上研制出反射率高达98%一体化光纤光栅，进而研制出一体化掺铥光纤激光器，输出功率2.1W，线宽为47pm, M2因子1.1；基于所研制侧漏光子晶体光纤，研制出一种室温可开关可调谐多波长环形光纤激光器，可稳定工作在单波长、双波长及三波长激光输出。.取得的标志性的成果有：（1）基于材料微观特性研究，建立了光纤原材料非晶态二氧化硅的理论分析模型；（2）基于所研制的六角形双包层石英基掺铥光纤，研制出一体化掺铥光纤激光器；（3）提出了可用于2微米波段且能调和大模场面积和单模矛盾的新型抗弯曲大模场面积光子晶体光纤；（4）信号处理技术和有限元法相结合，首次实现了一种光子晶体光纤特性的制作过程监测，并成功研制出多种新结构光子晶体光纤；（5）基于所研制侧漏光子晶体光纤，研制出一种室温可开关可调谐多波长环形光纤激光器。.受本项目资助，发表标注资助论文33篇，其中本领域顶级学术会议论文2篇，SCI检索论文20篇，EI 24篇，ISTP 2篇；申请国家发明专利7项，获授权6项；获国家计算机软件著作权4项。课题组负责人应邀在大型国际会议上做特邀报告3次，在全国大型学术会议上做特邀报告1次；培养毕业博士研究生6人，硕士研究生7人；联合承办国际学术研讨会3次和全国学术研讨会1次。