连续高功率光纤激光器中掺镱增益光纤熔丝损伤机理和特性研究

Due to the advantages of high conversion efficiency and excellent beam quality, high power fiber laser has attracted extensive attention in research. Nevertheless, there have been severe problems hindering the power scaling of fiber laser. Fiber fuse, especially in active fiber, is a vital one of those problems. Current existing researches on fiber fuse have been focusing on the phenomenon in single-clad-single-mode passive fiber with a power range from watts to tens of watts. There has been a lacking in studies on the generation mechanism and property of fiber fuse at the pumping power level of kilowatts or tens of kilowatts and output power level of several kilowatts. This project aims to reveals the generation mechanism and property of high power fiber fuse in Yb-doped fiber (YDF) at the kW power level. The studies will be carried on in three steps. First, experimental observation data will be collected to reveal the generation mechanism of fiber fuse in YDF, especially the initiation, the dynamics and induced damages of fiber fuse. Then, theoretical models will be built based on the observation data to analyze the properties of fiber fuse in YDF injected with high power pumping laser. Finally, intentionally-induced fiber fuse experiment will be conducted to determine the threshold power of fiber fuse. Therefore preventive measures of fiber fuse will be proposed, paving the path for the power scaling for fiber laser.

高功率光纤激光器具有转换效率高、光束质量好等优点，成为激光研究的一个热点。而光纤激光功率进一步提升面临诸多难题，其中光纤损伤问题尤为严重，特别是增益光纤的熔丝损伤。现有的光纤熔丝损伤研究，主要对象为单包层单模无源光纤，研究的功率水平为瓦级到数十瓦级。对于泵浦激光功率在数千瓦到万瓦级，输出光纤激光功率在数千瓦量级时，掺镱增益光纤熔丝的机理和特性研究是空白。本项目拟首次揭示高功率（数千瓦）激光输出下掺镱光纤熔丝损伤机理和特性。具体分为三个层次开展研究工作，首先通过实验观测手段明确掺镱光纤熔丝损伤机理，具体研究熔丝损伤的诱因，熔丝损伤产生的动力学过程，熔丝损伤所导致的毁伤结果；然后，结合实验观测结果，建立理论分析模型，分析掺镱增益光纤在强泵浦注入情况下的熔丝损伤特性；最后，开展主动诱导光纤熔丝损伤实验，确定熔丝损伤产生的阈值，针对性提出熔丝损伤预防措施，为光纤激光功率提升奠定基础。

本课题主要研究内容为连续高功率光纤激光器中掺镱增益光纤熔丝损伤的机理、特性和损害预防控制措施。光纤熔丝损伤是一种可以在通有高功率激光的光纤系统中自发发生的极端物理现象，外观类似于被点燃的火药导火索，一旦发生，将沿着光纤网络持续传播直至毁伤整个网络，对所有的高功率光纤系统具有极大的威胁性和危害性。本课题通过搭建包括千瓦级掺镱高功率光纤激光系统在内的各类专用测试系统，获取了千瓦量级连续光条件下的熔丝损伤后光纤样本，并对样本进行了拉曼光谱、折射率形貌、电子自旋共振、等离子体质谱等全面分析。本课题还通过精密设计的受控环境与测量装置，首次实现了熔丝损伤在可测量环境条件下的自发发生，确定了熔丝损伤自发发生的阈值功率与温度条件并发现了其内在的确定定量数学关系。综合以上实验结果，本课题揭示了从光纤基质的缺陷演化到熔丝损伤的物理机理，并详细分析了熔丝损伤的传播与产生光纤内结构改变的相关特性。本课题还进一步基于控制阈值条件的思路，提出并验证了利用高功率1018nm光纤激光同带泵浦技术降低高功率光纤激光系统增益光纤热负载、进而抑制与预防熔丝损伤发生的技术途径，突破了多项高功率1018nm光纤激光关键实验技术与理论构型设计，实现了多项高功率、高亮度、高放大自发辐射抑制比输出结果。本课题不仅增进了对高功率光纤熔丝损伤效应从外表特性到物理机理的认识，对于保障各类高功率光纤系统安全可靠运行具有重要作用，还直接推动了高功率光纤激光技术的发展，对经济社会发展具有长期推动作用。