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1、摻Tm3+光纖激光器在工業(yè)、醫(yī)療、科技及軍事領(lǐng)域具有重要應(yīng)用前景。光纖布拉格光柵(FBG)是構(gòu)成光纖激光器的重要元件。基于FBG的光纖激光器具有窄線寬輸出、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、性能穩(wěn)定、易于維護(hù)等優(yōu)點(diǎn)。但摻Tm3+光纖不具備光敏性,利用紫外脈沖激光很難在其中刻寫(xiě)FBG,即使采用增敏技術(shù)提高其光敏性,獲得的FBG的折射率調(diào)制量也很小,尚不能滿足應(yīng)用要求,阻礙了摻Tm3+光纖激光器全光纖化的發(fā)展。近年來(lái),利用近紅外超短脈沖激光在非光敏光纖上刻寫(xiě)FBG
2、,引起學(xué)術(shù)界和工程界的廣泛關(guān)注。與利用紫外脈沖激光在光敏光纖上刻寫(xiě)FBG的傳統(tǒng)技術(shù)相比,該方法具有更大的應(yīng)用價(jià)值。本文對(duì)飛秒脈沖激光刻寫(xiě)FBG技術(shù)及相關(guān)理論進(jìn)行了系統(tǒng)地研究。
以光纖光柵的基本方程耦合模理論為基礎(chǔ),分析了正弦折射率調(diào)制型和矩形折射率調(diào)制型單模均勻FBG的光譜特性,得到了FBG結(jié)構(gòu)參數(shù)對(duì)其性能的影響規(guī)律;模擬了這兩種折射率調(diào)制形式的二階FBG的反射譜,得出了矩形折射率調(diào)制FBG具有高階光譜響應(yīng)的結(jié)論,為實(shí)驗(yàn)上刻寫(xiě)
3、高階FBG提供了理論依據(jù)。從相位匹配的角度計(jì)算了多模FBG可能的諧振波長(zhǎng),并通過(guò)解兩個(gè)模式的耦合模方程予以證實(shí);同時(shí),分析了激發(fā)條件對(duì)多模FBG光譜的影響。為彌補(bǔ)耦合模理論的不足,引入了兩種可以用來(lái)分析非均勻FBG特性的數(shù)值方法,獲得了高斯趾切折射率調(diào)制型FBG的反射光譜。
利用Z-scan技術(shù),對(duì)800nm飛秒脈沖激光與硅基光纖包層、摻Y(jié)b3+纖芯、摻Tm3+纖芯的相互作用進(jìn)行了理論分析和實(shí)驗(yàn)研究。利用歸一化透過(guò)率公式對(duì)實(shí)驗(yàn)
4、數(shù)據(jù)進(jìn)行擬合,獲得了800nm飛秒激光與上述介質(zhì)的相互作用是五光子非線性吸收的結(jié)論,相應(yīng)的非線性吸收系數(shù)為10-47cm7/W4、10-47cm7/W4和10-50cm7/W4。對(duì)這三種介質(zhì)進(jìn)行了非線性透射實(shí)驗(yàn)研究,獲得硅基光纖包層和摻Y(jié)b3+纖芯的Type I型損傷閾值分別為14.5TW/cm2和13TW/cm2;對(duì)于摻Tm3+纖芯,由于Tm3+對(duì)800nm激光的共振吸收,未能準(zhǔn)確獲取相應(yīng)的閾值。
對(duì)于飛秒激光相位掩模法刻寫(xiě)
5、系統(tǒng)的設(shè)計(jì),主要是以光柵方程為基礎(chǔ),結(jié)合飛秒激光的寬線寬特性,分析了相位掩模參數(shù)對(duì)刻寫(xiě)用干涉條紋的影響,得到了合理設(shè)計(jì)相位掩模的原則,并計(jì)算出了光纖與相位掩模的最佳距離。利用高斯光束光學(xué)和傍軸近似分析了光纖的圓柱面內(nèi)包層對(duì)聚焦的影響,從理論上計(jì)算了相位掩模法所用聚焦透鏡的焦距。
對(duì)于飛秒激光逐點(diǎn)法刻寫(xiě)系統(tǒng)的研究,主要解決了兩個(gè)技術(shù)問(wèn)題。一是對(duì)光纖在光學(xué)顯微鏡下的成像進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究,建立了基于CCD攝像機(jī)的成像系統(tǒng),解決了逐點(diǎn)法
6、刻寫(xiě)FBG的對(duì)準(zhǔn)問(wèn)題;二是分析了消除柱透鏡效應(yīng)的方法,提出了針對(duì)本文實(shí)驗(yàn)所用光纖的消除柱透鏡效應(yīng)的方法。
針對(duì)相位掩模法存在的局限性,對(duì)利用透鏡成像技術(shù)改變相位掩模周期的方法進(jìn)行了理論分析,獲得了FBG波長(zhǎng)隨調(diào)諧參數(shù)變化的趨勢(shì),證明了這種技術(shù)可在一定范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)FBG波長(zhǎng)的連續(xù)可調(diào)。在實(shí)驗(yàn)上,通過(guò)調(diào)整相位掩模與光纖,以及相位掩模與調(diào)諧透鏡的距離,實(shí)現(xiàn)了基于同一塊相位掩模板在較大的波長(zhǎng)范圍內(nèi)(1882.5~1970.8nm)制作出
7、了四種不同波長(zhǎng)的FBG,并實(shí)現(xiàn)了激光輸出。
通過(guò)對(duì)線性腔雙包層摻Tm3+光纖激光器輸出特性的分析,獲得了其輸出功率與腔鏡反射率的關(guān)系。利用該關(guān)系及LD泵浦雙包層光纖激光器輸出激光的波長(zhǎng)和功率,對(duì)實(shí)驗(yàn)獲得的FBG的反射波長(zhǎng)和反射率進(jìn)行評(píng)估:靜態(tài)刻寫(xiě)的單模摻Tm3+光纖中FBG的反射率大于93.7%,多模摻Tm3+光纖中FBG的反射率約為5.3%。應(yīng)用相位掩模掃描刻寫(xiě)技術(shù)在正八邊形雙包層摻Tm3+光纖中寫(xiě)入了12mm長(zhǎng)的FBG,其
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