高功率连续光纤激光器关键技术与工程化研究

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1、中文图书分类号：TN248密级：公开UDC：530学校代码：10005博士学位论文DOCTORALDISSERTATION论文题目：高功率连续光纤激光器关键技术与工程化研究论文作者：张雪霞学科：光学工程指导教师：王智勇研究员论文提交日期:2017年5月UDC：530学校代码：10005中文图书分类号：TN248学号：B201313015密级：公开北京工业大学工学博士学位论文题目：高功率连续光纤激光器关键技术与工程化研究英文题目：RESEARCHONKEYTECHNOLOGIESANDENGINEERINGOFHIGHPOWERCWFIBERLASER论文作者：张

2、雪霞学科专业：光学工程研究方向：能量光电子技术与系统申请学位：工学博士指导教师：王智勇研究员所在单位：激光工程研究院答辩日期：2017年5月授予学位单位：北京工业大学独创性声明本人声明所呈交的论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得北京工业大学或其它教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示了谢意。签名：张雪霞日期：2017年5月25日关于论文使用授权的说明本人完全了解北京工业

3、大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有权保留送交论文的复印件，允许论文被查阅和借阅；学校可以公布论文的全部或部分内容，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。（保密的论文在解密后应遵守此规定）签名：张雪霞日期：2017年5月25日导师签名：王智勇日期：2017年5月25日摘要摘要高功率光纤激光器具有转换效率高、光束质量好、结构紧凑、免维护等优点，具有广泛的应用。随着光纤的制造工艺和泵浦光源生产技术的迅速发展，目前掺镱光纤激光器得已广泛应用于工业加工、军事国防和光纤通信等领域。在光纤激光器应用领域不断扩展的过程中，全光纤激光器已向着更高功率、更加集成化的方

4、向发展。在这个发展过程中，需要解决光纤激光器的热效应、反射和合束等关键技术难题，并实现工程化。本论文的课题来源于04国家科技重大专项——工业用高功率全光纤激光器的开发（No.2010ZX04013-052），针对当前高功率连续光纤激光器所面临的这些问题，开展了高功率连续光纤激光器的理论模拟和实验研究，实现重大专项项目对光纤激光器的要求，同时实现了高功率连续光纤激光器的工程化应用。本文的主要研究内容及得到的成果如下：1.分析了镱离子的能级结构和光谱特性，根据掺镱全光纤激光器的稳态速率方程，推导了光纤激光器功率分布的近似解析方程，通过Matlab模拟分析了光纤激光器

5、的功率特性。根据端面泵浦光纤激光器的原理结构，结合线性结构中光纤激光器的边界限制条件，对光纤激光器的泵浦光和激光的功率分布进行了分析。同时，对侧面多点泵浦的光纤激光器进行模拟分析，多点泵浦的结构能够实现激光器功率在光纤中平坦分布。另外，在这种结构中，可以通过增加泵浦光的注入点数来实现更高功率的光纤激光器。2.结合理论模拟，对掺镱光纤激光器进行了实验研究。分析了级联耦合器的制作参数对光纤激光器性能的影响，结合实验数据和耦合器的制作标准，选择合适的级联耦合器搭建了高功率光纤激光器系统。在光纤激光器中，由于耦合器对反向抽运光具有隔离的功能，能够应用在后向抽运结构中，所

6、以采用级联结构的耦合器搭建了双向抽运结构的光纤激光器。当975nm抽运功率通过双向抽运结构注入功率为1096W时，1080nm的光纤激光器功率输出为780W，该激光器的光-光转换效率达到71%。另外，在主控振荡功率方法的光纤激光器中，206W的中种子光通过546W的泵浦光被放大到635W，放大级的光-光转换效率78%。3.依据热传导方程，建立光纤热模型。优化光纤的处理工艺，设计光纤冷却装置，搭建端面抽运的光纤激光器，建设激光器产品生产线，并完成产品小批量生产及应用。采用水冷方式，在端面抽运的光纤激光器中，选择激光振荡器加一级放大的结构，成功实现1kW单模光纤激光

7、器原理样机，当975nm的泵浦功率为1496W时，1080nm单模光纤激光器的最高功率输出达到1024W，光-光转换效率为68.5%。同时，考虑到激光器的散热和结构布局，采用前向端面抽运的方-I-北京工业大学工学博士学位论文式完成多个输出功率为600W的1080nm激光模块的实验和封装，实现4kW高功率光纤激光器对激光模块的要求。根据激光模块的实验和封装，实现500W光纤激光器生产关键工艺的控制，实现500W光纤激光器的小批量生产。在500W光纤激光器的制作基础上，采用自主发明的特殊光纤光隔离和光剥除技术，设计在激光材料加工过程中能够抗反射的被动式防反射光纤激光

8、器。在激光切割实验中，验