瓦量級(jí)鉺光纖激光器及超熒光光源.pdf

1、本論文結(jié)合國(guó)家863項(xiàng)目和國(guó)家自然科學(xué)基金重點(diǎn)項(xiàng)目選題，具有重要的學(xué)術(shù)意義和實(shí)際應(yīng)用價(jià)值。研究工作以實(shí)際應(yīng)用為總體目標(biāo)，注重探討瓦量級(jí)全光纖有源器件中的物理問(wèn)題和關(guān)鍵技術(shù)。在深入細(xì)致的理論和實(shí)驗(yàn)研究中，發(fā)現(xiàn)了一些新現(xiàn)象，對(duì)其物理機(jī)制進(jìn)行了探討，并總結(jié)出其內(nèi)在變化規(guī)律，進(jìn)而指導(dǎo)器件的優(yōu)化設(shè)計(jì)。突破了一些關(guān)鍵技術(shù)，使“瓦量級(jí)鉺光纖激光器及超熒光光澡”的性能指標(biāo)達(dá)到較高的水平。主要內(nèi)容如下： 一、摻鉺光纖激光器的理論模擬 基于

2、激光器的穩(wěn)態(tài)速率方程和增益光纖中的功率傳輸方程，對(duì)摻鉺光纖激光器進(jìn)行數(shù)值模擬。詳細(xì)研究了激光器輸出特性隨泵浦方式、增益光纖長(zhǎng)度、反饋耦合比、腔損耗的變化規(guī)律。首次對(duì)摻鉺光纖激光器共振泵浦新機(jī)制進(jìn)行模擬研究，發(fā)現(xiàn)泵浦波長(zhǎng)與激光器性能之間以及鉺離子對(duì)(兒)濃度與泵浦效率之間的新規(guī)律。 二、瓦量級(jí)鉺鐿共摻光纖激光器及超熒光光源 1．利用半導(dǎo)體激光器陣列，通過(guò)錐形光纖束耦合器對(duì)鉺鐿共摻雙包層光纖進(jìn)行側(cè)向泵浦，構(gòu)建全光纖結(jié)構(gòu)的環(huán)形

3、腔、線(xiàn)形腔以及MOPA結(jié)構(gòu)鉺鐿共摻光纖激光器。三種激光器輸出功率均大于1W，斜率效率分別為33％、35％和30％。經(jīng)專(zhuān)家鑒定，其性能指標(biāo)達(dá)到國(guó)際先進(jìn)水平。 (1)深入研究了環(huán)形腔和線(xiàn)形腔激光器的特性。發(fā)現(xiàn)在未采用任何選頻元件的情況下，激光振蕩波長(zhǎng)隨輸出耦合比的增加逐漸向短波端漂移。輸出帶寬隨泵浦功率的增加而逐漸增加，最終穩(wěn)定在0.5mn左右，說(shuō)明鉺鐿共摻光纖具有非均勻展寬性質(zhì)。 (2)MOPA結(jié)構(gòu)激光器采用可調(diào)濾波器進(jìn)行

4、波長(zhǎng)選擇，輸出波長(zhǎng)在1540～1571.1nm可調(diào)、帶寬0.075mn、調(diào)諧平坦度優(yōu)于0.5dB。 2．采用種子源注入的方式避免瑞利散射光形成激光振蕩，研制成功C波段、L波段和波長(zhǎng)可調(diào)的瓦量級(jí)超熒光光源。 (1)C波段超熒光光源利用高功率單程后向鉺鐿共摻光纖放大器，對(duì)低功率摻鉺超熒光進(jìn)行放大，得到功率1.16W、峰值1561nm、3dB帶寬約8nm的超熒光輸出，光一光轉(zhuǎn)換效率32％。發(fā)現(xiàn)該光源中存在低功率的種子源(<12

5、mW)引起激光振蕩，而高功率的種子源抑制激光振蕩的新現(xiàn)象，并對(duì)其物理機(jī)制進(jìn)行了探討。 (2)L波段超熒光光源利用雙程前向鉺鐿共摻光纖放大器，對(duì)低功率的L波段種子源進(jìn)行放大，得到功率0.94w、光譜覆蓋1560～1615nm的超熒光輸出，光一光轉(zhuǎn)換效率21％。與C波段光源相比，該L波段光源完全抑制激光振蕩所需的種子源功率較低，更有利于實(shí)現(xiàn)高功率、平坦的超熒光輸出。 (3)峰值波長(zhǎng)可調(diào)的超熒光光源由種子源、前置放大器和功率放

6、大器三級(jí)構(gòu)成，中間插入濾波器進(jìn)行波長(zhǎng)選擇，得到大于1.8W超熒光輸出，為迄今為止見(jiàn)于報(bào)道的1.55μm波段最高功率值。 三、共振泵浦L波段摻鉺光纖激光器及超熒光光源 采用C波段的激光器和超熒光光源分別作為共振泵浦源(共振泵浦即利用1.55μm附近光直接將鉺離子激發(fā)到其激光上能級(jí)簇中)，深入研究了L波段激光器和超熒光光源的特性，獲得了創(chuàng)新性的研究成果。 1.采用低功率的C波段激光器作為共振泵浦源，對(duì)L波段摻鉺光纖激

7、光器基本特性進(jìn)行研究。發(fā)現(xiàn)即使采用后向泵浦結(jié)構(gòu)也能得到很高的相對(duì)于ASE基底的信噪比。而且，在泵浦波長(zhǎng)從1530nm變化到1550nm的過(guò)程中，激光器效率變化不大，證實(shí)了采用寬帶源泵浦的可行性。通過(guò)選擇合適的泵浦波長(zhǎng)可有效抑制輸出光譜中的ASE成分，從而提高信噪比。實(shí)驗(yàn)證明泵浦波長(zhǎng)為1545nm時(shí)，可同時(shí)獲得較高的泵浦效率和較高的信噪比。 2.采用高功率的C波段超熒光光源作為共振泵浦源，對(duì)線(xiàn)形腔摻鉺光纖激光器進(jìn)行后向泵浦，得到了

8、1.19W的L波段激光輸出，為目前全光纖L波段摻鉺光纖激光器最高輸出功率。該激光器斜率效率65.3％，激光線(xiàn)寬和相對(duì)于ASE基底的信噪比分別為0.08nm和66dB。 3.利用共振泵浦的雙程后向結(jié)構(gòu)摻鉺光纖放大器，對(duì)低功率L波段寬帶光源進(jìn)行放大，得到功率1.01W、光-光轉(zhuǎn)換效率54％、3dB帶寬34.3nm的高功率寬帶平坦超熒光輸出，為1.55μm波段超熒光光源中首次同時(shí)實(shí)現(xiàn)瓦量級(jí)的高輸出功率和寬帶平坦的輸出光譜。 四

9、、摻鉺光纖激光器自組織相干合成 1.提出并實(shí)現(xiàn)一種支路濾波方案。即：在摻鉺光纖激光器的自組織相干合成結(jié)構(gòu)中，將可調(diào)濾波器從馬赫一曾德?tīng)柛缮鎯x的合成臂移至其支臂中。實(shí)驗(yàn)證明，該方案在保持輸出光譜質(zhì)量不變的前提下，提高了激光器的輸出功率。以此為基礎(chǔ)，提出用小功率濾波器控制高功率激光器的多路合成新穎方案。 2.首次研究了環(huán)形腔光纖激光器的相干合成，得到高達(dá)97％的合成效率。計(jì)算證明，環(huán)形腔光纖激光器的相干合成不僅可將功率相近的