2μm光纖光源功率提升關(guān)鍵技術(shù)研究.pdf

1、2μm波段光源既可以作為人眼安全的光源用于生物醫(yī)學(xué)、工業(yè)加工、環(huán)境監(jiān)測和非線性頻率轉(zhuǎn)換，又是激光雷達(dá)與激光通信等領(lǐng)域的重要光源，因而受到研究人員的廣泛關(guān)注。由于光纖光源具有熱管理方便、光束質(zhì)量好、穩(wěn)定性高、封裝結(jié)構(gòu)緊湊等優(yōu)勢，基于全光纖結(jié)構(gòu)的2μm波段光源如今已經(jīng)成為該領(lǐng)域重要的研究方向。然而，2μm波段光纖光源具有固有量子虧損嚴(yán)重、光學(xué)器件發(fā)展尚不完全成熟等限制因素，使得如何產(chǎn)生高功率、高能量、高光束質(zhì)量的2μm波段光纖光源成為該領(lǐng)域

2、研究熱點(diǎn)和難點(diǎn)。從上述研究需求和應(yīng)用需求出發(fā)，本文對2μm波段高功率光纖光源進(jìn)行了理論與實(shí)驗(yàn)研究，主要結(jié)果如下：
　　1、對高功率2μm單頻連續(xù)、單頻脈沖和寬譜脈沖摻銩光纖放大器(Tm-doped fiber amplifier:TDFA)系統(tǒng)進(jìn)行了理論仿真研究。在基于速率方程和傳輸方程的TDFA傳統(tǒng)動力學(xué)模型中增加了受激布里淵散射(Stimulated Brillouin scattering:SBS)效應(yīng)影響，建立了單頻連續(xù)T

3、DFA動力學(xué)模型。將SBS過程加入納秒脈沖TDFA動力學(xué)模型之中，以并行雙向算法作為計算方法，建立了高效率、高精度的納秒脈沖 TDFA理論模型。利用上述理論模型分別對單頻連續(xù)、單頻脈沖和寬譜脈沖的TDFA進(jìn)行理論仿真，仿真結(jié)果與實(shí)驗(yàn)結(jié)果為更高輸出功率指標(biāo)的系統(tǒng)參數(shù)設(shè)計提供了參考。
　　2、開展了基于全光纖結(jié)構(gòu)的高功率2μm光纖光源實(shí)驗(yàn)研究。首先利用基于主振蕩器功率放大器(Master oscillator power amplif

4、ier:MOPA)結(jié)構(gòu)的系統(tǒng)對2μm單頻連續(xù)光纖激光種子進(jìn)行功率放大，在國際上首次將全光纖結(jié)構(gòu)的2μm單頻連續(xù)TDFA功率水平提高到100W級，并進(jìn)一步將輸出功率提高至310W，是目前國際公開報道的最高值。同時，將理論模擬與實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行對比分析，得出如果泵浦功率和熱管理問題得到合理解決，該系統(tǒng)可以獲得kW級2μm單頻連續(xù)激光輸出。其次，將兩路連續(xù)的TDFA通過相干合成整合成一束激光，輸出功率108W，是2μm波段相干合成的最高輸出功率。

5、實(shí)驗(yàn)中主動鎖相控制可以有效補(bǔ)償400Hz以下的相位噪聲，驗(yàn)證了利用基于TDFA相干合成系統(tǒng)獲得2μm波段高功率激光輸出的可行性。再次，利用全光纖結(jié)構(gòu)的多級TDFA系統(tǒng)對mW級自發(fā)輻射放大(Amplified spontaneous emission:ASE)光纖光源進(jìn)行逐級功率放大，獲得了平均輸出功率大于250W的高功率窄帶可調(diào)諧ASE光纖光源輸出，為國際上首次公開報道的該功率水平2μm波段ASE光纖光源。此外，通過在線形腔和環(huán)形腔中分

6、別進(jìn)行主動相位調(diào)制，獲得了穩(wěn)定的2μm鎖模脈沖輸出以及弛豫振蕩調(diào)制脈沖輸出，可以為高功率脈沖TDFA提供穩(wěn)定的種子源。最后，利用MOPA結(jié)構(gòu)的系統(tǒng)對2μm納秒脈沖種子激光進(jìn)行逐級功率放大，分別實(shí)現(xiàn)了平均功率100W級的準(zhǔn)單頻納秒脈沖TDFA輸出、200W級的窄線寬納秒脈沖TDFA輸出以及150-238 W的寬譜納秒脈沖TDFA輸出。上述輸出功率水平均為國際上公開報道的最高值。
　　3、提出了高功率摻鐿拉曼光纖激光器(Yb-dope

7、d Raman fiber laser:YRFL)級聯(lián)泵浦獲得2μm光纖激光輸出的方案，并分別獲得了該泵浦方案下?lián)戒A光纖激光器(Tm-doped fiber laser:TDFL)和摻鈥光纖激光器(Ho-doepd fiber laser:HDFL)的最高輸出功率；利用TDFL同帶泵浦方案首次獲得了高功率的長波TDFL輸出。首先利用1173nm的YRFL泵浦TDFL，TDFL的輸出功率達(dá)到了96W，是國際上首次公開報道的通過YRFL泵浦

8、獲得100W級2μm波段TDFL輸出。然后利用1150nm的YRFL對HDFL進(jìn)行泵浦，HDFL的輸出功率達(dá)到了42W，為國際上公開報道的利用YRFL泵浦HDFL獲得2μm光纖激光輸出最高值。同時開展了利用YRFL對HDFL進(jìn)行泵浦獲得2μm脈沖激光輸出的研究。通過控制系統(tǒng)參數(shù)，最高平均輸出功率為16.1W，是國際上公開報道被動調(diào)Q的HDFL最高輸出功率值。最后，利用1942nm的TDFL對2153nm的TDFL進(jìn)行同帶泵浦，輸出功率達(dá)

9、到了24W。研究表明，對于長波TDFL，需要對增益光纖的溫度和長度進(jìn)行適當(dāng)控制以有效地抑制ASE和寄生振蕩，從而增加系統(tǒng)輸出功率。這是首次波長大于2.15μm的高功率TDFL實(shí)驗(yàn)研究，其輸出功率也是該波段TDFL以及拉曼激光器/放大器最高值，且系統(tǒng)輸出具有優(yōu)良的光譜性能。上述實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了利用級聯(lián)泵浦方案獲得高功率2μm光纖激光輸出的重要潛力。
　　4、探索了2μm光纖光源中非線性效應(yīng)的應(yīng)用，首次實(shí)現(xiàn)了基于SBS效應(yīng)的2μm波段單頻脈

10、沖、慢光以及多波長激光輸出。首先開展了基于SBS效應(yīng)的2μm波段單頻脈沖輸出實(shí)驗(yàn)研究，利用非線性偏振旋轉(zhuǎn)和主動相位控制技術(shù)實(shí)現(xiàn)了單頻脈沖布里淵摻銩光纖激光器(Brillouin-Thulium fiber laser:BTFL)輸出，是國際上首次基于SBS效應(yīng)獲得的穩(wěn)定單頻脈沖BTFL輸出。然后，進(jìn)行了基于SBS效應(yīng)的2μm慢光實(shí)驗(yàn)和理論研究。通過控制泵浦功率實(shí)現(xiàn)了連續(xù)線性的脈沖延遲輸出，利用三波耦合方程組進(jìn)行仿真，模擬結(jié)果與實(shí)驗(yàn)結(jié)果吻