高功率全光纤激光器及其相干合成的基本物理问题和关键技术研究

高功率光纤激光器研究和发展越来越受到高度关注，但光纤激光器功率的提高受到热光损伤、非线性效应、光暗化等因素的限制，所以必须进行相关物理问题的深入研究。本项目将全面构建高功率光纤激光器的理论仿真模型，对光纤激光的产生、放大过程进行仿真分析，克服现有理论仿真模型的局限性和对解决实际问题的不足。提高系统的转换效率降低热效应是该研究的核心内容之一，提出了全光纤激光器新型单模侧面泵浦结合同带泵浦的方法，大幅提高光纤激光的泵浦效率，降低量子亏损和热效应。针对目前高功率激光相干合成技术的局限性，提出了基于自适应光学技术的光纤激光相干合成新方法，研究共形光纤激光阵列波前校正和大气传输技术，分析光谱带宽、偏振特性、相位噪声、孔径填充、大气湍流等因素对阵列激光靶面激光能量集中度的影响。项目的实施将会加深对高能光纤激光基础机理的认识和加快关键技术的突破，推动我国高功率光纤稳步快速发展。

高功率光纤激光器在工业加工、国防等领域具有重要应用前景，已成为世界各国竞相发展的研究领域。然而，随着光纤激光器输出功率的不断提高，由于热、光热损伤和非线性效应等对核心光纤材料和器件造成的毁灭性损伤，单纤单模激光输出功率的提升受到限制。光束相干合成技术既可提升光纤激光器的输出功率，又可保持良好的光束质量，为高功率光纤激光技术的发展开辟了一条崭新途径。但目前国内外相干合成光束的功率水平及光束质量等远远没有达到预期结果。.基于此研究背景，本项目开展了高功率全光纤激光产生及相干合成的基本物理问题和关键技术研究，从理论上对高功率光纤激光器的热光损伤机理、非线性过程和光束质量等问题进行深入分析；构造高功率光纤激光器的理论模型，分析激光产生放大过程，研究光纤非线性效应、热光损伤、光暗化等因素对激光器稳定性的影响及与激光器各种特性参数的关系；研究基于自适应光学技术的高功率光纤激光相干合成新方法及共形光纤激光阵列波前校正和大气传输技术。.通过该项目的研究，项目组建立了高功率光纤激光器理论模型，获得非线性效应、热光损伤、光暗化等因素对激光器功率提升的物理作用机制，创新性提出一种多点侧面耦合泵浦技术，并结合同带泵浦技术大幅提高光纤激光的泵浦效率，降低了量子亏损和热效应，首次研究了环状光纤激发的波导光涡旋的动力学演化过程，对于实现更高功率的光纤激光输出具有重要的理论指导意义；研制出具有独立知识产权的核心光纤材料与器件，突破了高功率光纤激光系统集成关键技术，自研单纤实现5000W准单模连续激光输出。在光纤激光自适应合束技术方面，研制出光纤自适应准直器、相位调制器，采用SPGD控制算法验证了七单元光纤激光10W相干合成，同时进一步实现了四路500W光纤激光2kW相干合成，形成了自主的高功率激光技术体系，打破国外在这一领域对我国的技术封锁和商业垄断，为将来实现数万瓦全光纤激光器奠定坚实的理论基础和核心器件基础。