基于光子晶体光纤的高功率窄线宽光纤放大器中受激布里渊散射的抑制机理和实验研究

With the widely-spread applications in coherent laser radar and laser remote sensing, an urgent demand for high power fiber lasers and amplifiers with MHz-kHz linewidth at 2 μm wavelength appears. For a narrow linewidth fiber amplifier, the current limit of output power is the stimulated Brillouin scattering (SBS) effect. In recent years, the development in photonic crystal fibers (PCF) brings new impetus to the field of fiber lasers. A large mode area (LMA) PCF can be designed to increase the SBS threshold. In this project, we study the role of LMA PCF in suppressing the SBS and find effective ways to increase the output power of narrow-linewidth mid-infrared fiber laser. Acoustic model of a LMA PCF will be established and the finite element method will be applied to calculate the SBS threshold. To further increase the SBS threshold, a model based on a piecewise UV exposed PCF will be proposed to adjust the acoustic mode and the corresponding SBS threshold will be calculated. Based on the analytical results, experimental work will be carried out with the aim of achieving a high power fiber amplifier with 2 MHz linewidth at 2μm. Increasing the output power of narrow linewidth fiber amplifier should meet the demand for applications in coherent laser radar and laser remote sensing. This work will also expand the range of applications of the PCF in the field of nonlinear optics.

高功率、线宽MHz-kHz量级的2微米光纤放大器在相干探测、激光遥感等应用中有迫切需求，限制其输出功率的主要因素是窄线宽激光在光纤中的受激布里渊散射(SBS)。近年出现的大模场面积光子晶体光纤(Large Mode Area Photonic Crystal Fiber, LMA PCF)具有很好的光模式操控性，具有大模场面积以抑制SBS同时保持单模传输，适合高功率光纤放大器应用,目前其SBS抑制机理没有深入的定量研究。本项目研究LMA PCF抑制SBS的机理，建立LMA PCF中的声波模型，数值求解声波模并计算SBS阈值。为了进一步提高SBS阈值，研究紫外曝光LMA PCF的声波模和SBS阈值。基于LMA PCF进行2微米波段、线宽MHz量级的光纤放大器高功率输出实验以验证分析方法和结果。本研究为窄线宽光纤放大器的功率提升提供新方法，为相干激光雷达、激光大气遥感等应用的光源研究奠定基础。

项目背景及主要研究内容：.高功率光纤放大器和光纤激光器在激光探测等领域具有重要用途，得益于1550nm波段在大气中的高透过率，高功率ErYb共掺光纤放大器和激光器具有重要研究价值，在高功率ErYb 1550nm光纤放大器的实现过程中，放大器的理论和实验研究具有重要意义，对激光器的合理设计具有重要意义，本项目对该问题做了较多的工作。.在激光功率放大及传输过程中，高功率激光需要大模场直径的单模光纤进行传输，其中大模场直径的光子晶体光纤（LMA-PCF）是一个比较有利的选择，因此LMA-PCF中高功率激光传输具有重要的研究价值，本项目也对该问题展开了初步研究。.波长大范围可调的光纤激光器具有重要应用价值，本项目进行了环形腔拉曼光纤激光器的研究，该类激光器可以得到调节范围60nm以上的激光输出，在生物或分子探测方面具有重要用途。..重要结果，关键数据和科学意义：.进行了1550nm高功率ErYb共掺光纤放大器的理论和实验研究，求解了ErYb共掺光纤的速率方程组和传输方程组，得到泵浦激光功率、信号激光功率与光纤位置的关系。基于MOPA技术研制了1550nm波段，平均功率15W的高功率光纤放大器和激光器，可以工作在连续和脉冲状态，同时利用半导体激光调制技术和长腔锁模技术分别研制了激光脉冲种子源，最终得到高功率小体积的激光器，该装置已用于激光探测的研究。.在高功率传输和放大的过程中，需要在提高功率的同时保证单模传输并避免非线性效应，使用LMA-PCF是一个有效的选择，本项目用COMSOL软件仿真了高功率激光在LMA-PCF中的模场分布，仿真了LMA-PCF截面构型中的模场分布，为后续的光纤设计和激光器应用指明了方向。.仿真研究了单向泵浦和双向泵浦的环形腔拉曼光纤激光器中的功率分布情况，得到不同参数、不同长度拉曼光纤用于拉曼光纤激光器的功率变化规律。实验研究了反向泵浦的波长可调拉曼光纤激光器，得到波长1525nm-1589nm连续可调的激光输出，并且该波长范围还可继续扩展以及放大输出功率，该技术可以在生物或分子探测方面得到重要应用。