高功率大模場光纖的光傳輸放大特性研究

為了克服非線性效應、光學損傷等物理因素對光纖激光功率擴展帶來的限制，目前普遍采用大模場光纖來突破這些限制。但隨著光纖芯徑的增大，又會激發(fā)高階模造成激光光束質量的下降，且橫向模式也會影響小寬帶脈沖的光譜和時間波形，因此獲得高功率、高光束質量的保真脈沖輸出是大模場光纖激光系統(tǒng)的關鍵技術。本論文圍繞大模場光纖的橫向模式特性對小寬帶脈沖的時譜特性及輸出的近場分布影響展開理論和實驗研究。首次論證了橫向模式干涉效應對相位調制脈沖幅頻效應的影響，研究了小寬帶脈沖及模場的傳輸放大特性。以此為依據(jù)，設計了mJ級近基模輸出的全光纖放大系統(tǒng)。

首先,研究了大模場無源光纖中模場分布的解析及數(shù)值求解方法，基于這種理論模型得出了有源光纖在增益小于100dB/m的情況時模場分布可以近似為無源光纖的本征模場分布，基于模場傳輸及分布特性建立了橫向模式干涉的理論模型。首次研究了大模場光纖放大器中模間干涉效應對近場分布及對相位調制脈沖時譜特性的影響。在大模場光纖放大器的輸出端面，不同波長對應模式間的相位差不同且高階模式在不同端面位置處的偏振不同，多個模式干涉后造成光纖端面不同位置處的光譜傳遞函數(shù)不同，使得光纖輸出的相位調制脈沖具有時空分布特性。由于模式正交性，光纖整個端面輸出的脈沖調制度的統(tǒng)計結果為零。首次分析了甚多模模間干涉效應對相位調制脈沖時譜特性的影響，得出模式數(shù)量越多，光譜傳遞函數(shù)的調制周期越小，對相位調制脈沖的幅頻效應影響越大。這種結果對實驗測量具有有益的指導作用，對小寬帶保真?zhèn)鬏敺糯蟮娜饫w系統(tǒng)的設計提出了更高的模式控制的要求。結合速率方程和Ginzburg- Landau方程，分析了寬帶脈沖放大過程中的時譜特性的變化情況，得出造成脈沖畸變的主要因素為增益飽和效應，這可以通過脈沖預整形或采用高斯脈沖有效抑制，而其增益不均勻性對相位調制脈沖幅頻效應影響不是很大，約為3%。

理論計算結果顯示信號光的功率放大到數(shù)MW的高功率后，高功率激光會造成模場畸變和自聚焦特性,且高階模并不能提高光纖的自聚焦閾值。針對階躍大模場光纖的模式控制技術，理論分析和數(shù)值計算結果得出增益濾模是簡單有效且減小小寬帶脈沖畸變的模式控制方法，配合模場適配器使用，可以有效避免高階模的激發(fā)及模間干涉效應，減少損耗。對于彎曲選模，根據(jù)模式匹配原理提出了一種新型錐形繞纖器。

基于本論文的理論與實驗結果，設計了mJ級近基模輸出的全光纖放大系統(tǒng)，并進行了初步的實驗驗證。