Yb/Ce共掺铝硅二元体系光纤抗光子暗化性能研究

论文摘要

光纤激光器作为新一代的激光装置,因其具有体积小重量轻、结构简单紧凑且泵浦效率高、光束质量好、可靠性高、免维护等独特的优势,广泛应用于国防军事、工业加工、生物医疗、光电通信等诸多领域。近年,高功率光纤激光器的应用需求日益强烈。然而光子暗化效应,作为阻碍激光输出功率提升和稳定性发展水平的主要瓶颈之一,其作用机理尚未完全解明。国内外现有的研究并不足以解决高功率大模场有源光纤材料在长时间的激光输出下所引发的功率衰减、光-光转换效率下降等问题。本文着眼于Yb/Ce共掺的铝硅二元体系光纤材料的关键技术,开展了在千瓦级高功率光纤激光背景下光纤抗光暗化性能的机理研究和相关性能的综合表征:一、介绍了目前报道的关于光纤在光子辐照作用下产生光子暗化的机理模型和抑制光子暗化效应的措施。二、基于改变光纤材料组分以抑制光子暗化现象的方法,综合比较了 Yb-AlSi、Yb-PSi、Yb-AlPSi以及Yb/Ce-A]Si光纤的优劣势。其中,对自研的20/400-Yb-AlSi二元体系光纤和20/400-Yb-AlPSi三元体系光纤进行了激光输出稳定性测试,结果显示Yb-AlPSi光纤抗光子暗化性能明显优于Yb-AlSi光纤,但由于其制备难度较大,易产生中心凹陷和折射率波动,本论文最终选择制备难度较低且抗光子暗化性能良好的Yb/Ce共掺铝硅二元体系光纤进行设计及制备。三、进行光纤材料组分的配方制定并预设掺杂元素的浓度含量,使其在满足双包层大模场石英光纤低数值孔径要求的同时具有良好的抗光子暗化性能。选择掺入F元素用来抵消因Yb、Ce、Al掺杂所引起的光纤折射率的升高,还能起到抗辐照的作用。以Yb/Ce共掺的AlFSi二元体系光纤作为目标样品,将Ce/Yb离子浓度比设为0.5,既能达到抑制光子暗化目的,也能尽量减少Ce掺杂引起的发热问题;将A1/F离子浓度比设为1,以保证光纤数值孔径在0.065±0.05的范围内,符合大模场光纤的高功率应用背景。四、简单介绍了改进型化学气相沉积技术与螯合物气相掺杂技术相结合的预制棒制备原理及参数设置,成功制备了 Yb/Ce共掺的AlFSi二元体系光纤预制棒,并拉制成直径20/400μm的光纤样品。五、对Yb/Ce-AlSi光纤进行静态参数和动态激光性能测试。测试结果显示光纤纤芯数值孔径 0.0602,实现了 Yb2O3,Ce2O3,Al2O3 和 SiF4 分别为 0.12mol%、0.05mol%、0.5 mol%以及0.2mol%左右的掺杂浓度,达到设计时Ce/Yb浓度比0.5、A1/F浓度比1的要求。采用MOPA系统,输出功率达1930W,光-光转换效率79.2%。激光器在1850W下连续开机540分钟激光功率波动小于1.04%,无光暗化现象。

论文目录

文章来源

类型: 硕士论文

作者: 李雨薇

导师: 林傲祥

关键词: 光纤激光器,共掺铝硅光纤,光子暗化

来源: 中国工程物理研究院

年度: 2019

分类: 基础科学,信息科技

专业: 物理学,物理学,无线电电子学,无线电电子学

单位: 中国工程物理研究院

分类号: TN248;TN253

总页数: 53

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标签：光纤激光器论文;  共掺铝硅光纤论文;  光子暗化论文;