单柱矢量模高功率光纤激光器研究

Fiber lasers have attracted great attention in the past decade because of their advantages of high beam quality, high efficiency, small size, as well as flexible handling and easy thermal management, etc， which lead to much improvement of the power and energy in the CW and pulse fiber lasers. However, further improvement of the power and energy of fiber lasers will subject to limitations of nonlinear effect, material damage, thermal effect and so on. On the basis of our previous works, we further propose to study the single cylindrical vector mode fiber laser, the cylindrical vector mode has the features of large mode area, flatten intensity distribution, and high nonlinear threshold. Therefore, if the single cylindrical vector mode is used to deliver the high power fiber laser, the influences of nonlinear effect, material damage, and thermal effect can be reduced effectively, and output high power. This proposal will focus on the generation, propagation, and amplification of the cylindrical vector mode high power fiber lasers, which relate to the design, simulation, and manufacture of the single cylindrical vector mode fiber, the nonlinear propagation and polarization evolution of the signal in the cylindrical vector mode fiber, the generation and amplification of cw and pulse fiber laser, and their characteristics investigation, as well as the high effective mode transferring and maintaining. The research of this proposer will present an effective path to further improve the power and energy of the high power fiber lasers.

光纤激光器因其具有高光束质量、高效率、小体积以及操作灵活简便和热管理方便等优点而受到了广泛的青睐，近十年来，连续及脉冲光纤激光器研究已取得了长足进展，然而，高功率光纤激光器功率及能量的进一步提升受到了非线性、材料损伤及热效应等因素的影响。本项目在前期工作的基础上，提出了单柱矢量模高功率光纤激光器研究，单柱矢量模具有大模场面积、光强分布均匀、非线性阈值高等特点，利用柱矢量模来传输高功率光纤激光，可以有效降低非线性、材料损伤及热效应等因素的影响，实现高功率激光输出。我们将主要研究柱矢量高功率光纤激光产生、传输及放大等，具体包括高功率光纤的设计、仿真与制备，柱矢量高功率光纤的非线性传输特性及偏振传输特性，连续及脉冲柱矢量高功率光纤激光的产生、放大及其特性研究，光纤中高效模式转换及保持等。本项目的研究将为高功率光纤激光器的功率提升提供一条有效途径。

光纤激光器的功率功率提升是一个重要的热点研究课题，它受到了非线性、材料损伤、热效应以及模式不稳定性等因素的制约。探索提升光纤激光器输出功率的有效技术途径，并系统研究其相关机理及相关物理现象不仅具有重要的学术价值，而且对于推进光纤激光器在国防、航天及工业精密加工等领域的应用将具有重要意义。本项目主要研究柱矢量高功率光纤激光的产生、传输及放大，其主要创新点在于利用高阶模式承载高功率，高阶模有望获得比基模大得多的模场面积，极大缓解功率提升制约因素的影响。大模场面积下单一柱矢量模的产生与传输是本项目的另一创新点，它确保柱矢量模在大模场条件下传输，而其他模式则被抑制。..我们从理论和实验两方面对单柱矢量模高功率光纤激光器进行研究，理论上，优化设计了两款高功率单柱矢量模光纤，其中一款导模模场面积超过10000平方微米，可实现高功率单柱矢量模式（TE01）工作，该光纤的模场面积与传统高功率光纤激光器的大模场面积相比，提升了一个数量级以上，展示了超大单模模场面积，有望为高功率光纤激光器功率提升提供了一种新的技术途径。另一款为大模场双包层环形光纤结构，解决了相邻模式串扰问题及所有柱矢量模式工作问题，为高功率单柱矢量光纤激光稳定工作打下基础。实验上，基于环形掺杂少模掺镱光纤，实现了LP11模式腔内谐振的光纤激光器，斜率效率达到了53.3%，径向偏振光和角向偏振光的模式纯度分分别达到了94.2%和93.3%。制备了低模式串扰无源环形光纤和有源环形光纤，并实现了单一角向偏振光腔内谐振并输出的光纤激光器，模式纯度为96.5%，这是世界上首次实现单一柱矢量模式在光纤激光器内谐振。制备了基于环形光纤-保偏光纤的长周期光栅，实现了单一径向偏振光束的输出，模式纯度达到了97.3%。此外，我们还研究成功全保偏结构的柱矢量光纤激光器，并对柱矢量模激光的非线性传输行为及操控做了系统研究。