高功率全光纤激光器光纤耦合关键技术研究

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1、中文图书分类号：TN248密级：公开UDC：535学校代码：10005博士学位论文DOCTORALDISSERTATION论文题目：高功率全光纤激光器光纤耦合关键技术研究论文作者：董繁龙学科：光学工程指导教师：王智勇研究员论文提交日期：2016年6月17日UDC：535学校代码：10005中文图书分类号：TN248学号：B201113004密级：公开北京工业大学工学博士学位论文题目：高功率全光纤激光器光纤耦合关键技术研究英文题目：STUDYONFIBERCOUPLINGTECHNIQUESFORHIGHPOWERALL-FIBE

2、RLASER论文作者：董繁龙学科：光学工程研究方向：高功率激光制造系统申请学位：工学博士指导教师：王智勇研究员所在单位：激光工程研究院答辩日期：2016年6月授予学位单位：北京工业大学独创性声明本人声明所呈交的论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得北京工业大学或其它教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示了谢意。签名：董繁龙日期：2016年

3、06月17日关于论文使用授权的说明本人完全了解北京工业大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有权保留送交论文的复印件，允许论文被查阅和借阅；学校可以公布论文的全部或部分内容，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。（保密的论文在解密后应遵守此规定）签名：董繁龙日期：2016年06月17日导师签名：王智勇日期：2016年06月17日摘要摘要本论文的研究工作是在国家科技重大专项——工业用高功率全光纤激光器的开发（No.2010ZX04013-052）项目的资助下进行的。高功率全光纤激光器的关键技术主要有：半导体泵浦源技术，双包

4、层光纤技术，光纤耦合技术，光纤光栅及终端输出技术。其中，光纤耦合技术作为激光器的核心技术之一，其目的是要将泵浦光或信号光高效地耦合到双包层光纤。总的来说，光纤耦合技术主要有两种：锥形光纤束端面耦合技术和侧面光纤耦合技术。然而，目前用于高功率条件下的光纤耦合器大多需要国外进口。因此，研制国产高功率光纤器件及基于国产器件的高功率光纤激光器对中国光纤激光技术的发展具有重要的战略意义。主要对几种特殊波导光纤的模场特性、锥形光纤束端面光纤耦合技术和侧面光纤耦合技术进行了理论和实验研究。本论文的主要研究内容和成果包括以下几个方面：1、利用光

5、束传播法分析了弯曲光纤、锥形光纤和热扩芯光纤的模场分布特性及光束传输特性，并采用热扩芯技术研制出百瓦级光纤模场匹配器。首先，研究了大模场面积光纤的抗弯曲特性，并分析了由光纤弯曲导致的光场畸变。结果表明，光纤模式阶数越高，对弯曲越敏感；光纤弯曲半径越大、折射率差越小、芯径越大，畸变越严重；其次，分析了锥形光纤的模场分布特性和低损耗拉锥条件。结果表明：对单模光纤，只要满足绝热拉锥条件就能获得高的传输效率；而对多模光纤，影响其传输效率的因素主要是拉锥比；最后，重点对热扩芯光纤的模场分布特性进行了研究。理论模拟和实验发现，与单模光纤相比

6、，热扩芯时大模场面积光纤的模场直径增大的更快。另外，对光束在热扩芯光纤中的传输特性的分析结果表明，即使实现了不同光纤模场直径之间的匹配，光纤模场匹配器的传输损耗依然存在。实验上采用6/125μm单模光纤和15/130μm大模场面积光纤自行研制了百瓦级光纤模场匹配器，其通光效率74%，承受功率大于100W，性能优于市场上同等规格的商用光纤模场匹配器。最后，热扩芯技术还可用于光纤耦合器的制备。2、基于热扩芯技术，提出一种针对大包层-纤芯比准单模光纤功率合束的方法——过渡光纤法，解决了高功率单模光纤激光器模块的功率合束问题，并研制了千

7、瓦级N×1型泵浦光合束器及信号光合束器。首先，对N×1型泵浦光纤合束器进行了理论和实验研究。基于VytranGPX系列光纤处理平台，采用锥形光纤I北京工业大学工学博士学位论文束石英套管法，制作完成了3×1、7×1、19×1及61×1四种高功率泵浦光纤合束器；其次，对N×1型单模信号光纤能量合束器进行了理论和实验研究。分析了7×1单模信号光纤能量合束器的模场分布和光传输特性，重点分析了空间瞬态对合束器传输效率的影响。采用基于热扩芯技术的过渡光纤法制备了7×1型信号光合束器，并将7路600W单模激光合束，获得了4kW的激光输出。3、

8、自主研制了高功率(N+1)×1型侧面泵浦光耦合器，并采用自行研制的侧面泵浦光耦合器，搭建了侧面多点泵浦全光纤结构主振荡功率放大器。首先，对熔锥型侧面泵浦光耦合器进行了理论研究，实验上采用石墨灯丝加热法研制出了(2+1)×1熔锥型侧面泵浦光耦合器，该耦合器的耦合效