高功率2微米光纤激光功率不稳定规律及抑制方法研究

2μm fiber laser based on Tm doped silica fiber (TDF) has played an important role in the military confrontation, space exploration, surgery and other fields. With the increasing of laser power, the power instability has hindered the further development and application of thulium doped fiber laser. Therefore, the research on the mechanism of power degradation and the resistance technology become essential. Aiming at settling high power laser degradation, we plan to explore the physical mechanism of TDF photo-darkening, mathematical model and dynamic process of darkening-bleaching, effects of doping control and reducing gases loading on power stability and propose the method of enabling TDF with high stability under high power output. Based on the mechanism research and fiber preparation, this project intends to solve the problem of operation instability of high power 2μm fiber laser, and develop a new method to resist power degradation. The implementation of the project will help to find the physical mechanism of rare earth doped silica fiber photo-darkening, develop fiber material capable of bearing high power and high stability of 2μm laser, and promote the reliable application of materials and devices based on TDF in various fields.

基于掺铥石英光纤的2微米激光输出，在军事对抗、太空探测和外科手术等领域发挥着重要作用。随着激光功率不断提升，其功率不稳定性阻碍了掺铥光纤激光器的进一步发展和应用，因此研究功率衰减产生的机理和发展抗衰减技术变得十分重要。本项目在前期掺铥石英光纤制备和激光技术的研究基础上，进一步针对高功率激光衰减问题，探索掺铥石英光纤光子暗化物理机理，研究暗化-光漂白的动力学过程及数学模型，研究掺杂调控及还原性气体处理对激光稳定性的影响，提出掺铥石英光纤高功率、长时间稳定运转的方法。本项目拟从机理探究和光纤制备方面解决2微米光纤激光高功率运行不稳定性问题，发展抗功率衰减技术的新方法。项目的实施将有助于发现稀土掺杂石英光纤光子暗化产生的物理机制，发展可承载高功率高稳定2微米激光的光纤材料，打破国外禁运，促进掺铥光纤材料及其器件在各领域中的可靠应用。

基于掺铥石英光纤的2微米激光输出，在军事对抗、太空探测和外科手术等领域发挥着重要作用。随着激光功率不断提升，其功率不稳定性阻碍了掺铥光纤激光器的进一步发展和应用，因此研究功率衰减产生的机理和发展抗衰减技术变得十分重要。. 项目介绍了改进的化学气相沉积工艺结合溶液掺杂法的光纤预制棒制备方法和光纤拉丝工艺，并分析了高掺杂浓度、高吸收系数的掺铥光纤制备的关键参数。从表征、测试和抑制等方面对掺铥光纤的光子暗化现象展开了研究与分析。搭建了快速暗化、测量以及表征集成平台，建立了不同可见光波长下附加损耗与暗化时间呈拉伸指数变化的关系。首次验证了氘气对掺铥光纤中光子暗化的漂白作用，经过7天载氘处理，可见光波段处的附加损耗被漂白了88%；进一步地，还验证了经过载氘预处理的掺铥光纤将获得部分抗暗化能力。首次给出了外部热源对暗化掺铥光纤的完全漂白过程，当温度达到250℃时，暗化掺铥光纤中的附加损耗开始减小，在温度达到550℃时光子暗化效应导致的附加损耗被完全消除。结合理论与实验，验证了掺铥光纤中上转换过程产生的蓝光或紫外光是诱导色心产生的重要因素，并研究分析了基于色心缺陷愈合理论的光子暗化漂白机理。. 基于自主研发的25/400大模场掺铥石英光纤，搭建了高功率全光纤结构的掺铥光纤放大器系统。掺铥光纤振荡器采用直腔结构，最大输出激光功率为91 W，对应斜率效率为49%，3dB线宽为76 pm。通过对关键熔点的优化和对掺铥光纤热管理的改进，放大级采用双端泵浦方式，实现了最高功率530 W的激光输出，斜率效率50%，输出激光的中心波长为1980.89 nm。该结果是目前国内2 µm波段全光纤结构激光器所实现的最高输出功率，也验证了国产掺铥石英光纤在高功率系统运转的可靠性。