瓦量級鉺光纖激光器及超熒光光源.pdf

1、本論文結合國家863項目和國家自然科學基金重點項目選題，具有重要的學術意義和實際應用價值。研究工作以實際應用為總體目標，注重探討瓦量級全光纖有源器件中的物理問題和關鍵技術。在深入細致的理論和實驗研究中，發(fā)現(xiàn)了一些新現(xiàn)象，對其物理機制進行了探討，并總結出其內在變化規(guī)律，進而指導器件的優(yōu)化設計。突破了一些關鍵技術，使“瓦量級鉺光纖激光器及超熒光光澡”的性能指標達到較高的水平。主要內容如下： 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，對摻鉺光纖激光器進行數(shù)值模擬。詳細研究了激光器輸出特性隨泵浦方式、增益光纖長度、反饋耦合比、腔損耗的變化規(guī)律。首次對摻鉺光纖激光器共振泵浦新機制進行模擬研究，發(fā)現(xiàn)泵浦波長與激光器性能之間以及鉺離子對(兒)濃度與泵浦效率之間的新規(guī)律。 二、瓦量級鉺鐿共摻光纖激光器及超熒光光源 1．利用半導體激光器陣列，通過錐形光纖束耦合器對鉺鐿共摻雙包層光纖進行側向泵浦，構建全光纖結構的環(huán)形

3、腔、線形腔以及MOPA結構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)專家鑒定，其性能指標達到國際先進水平。 (1)深入研究了環(huán)形腔和線形腔激光器的特性。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，說明鉺鐿共摻光纖具有非均勻展寬性質。 (2)MOPA結構激光器采用可調濾波器進行

4、波長選擇，輸出波長在1540～1571.1nm可調、帶寬0.075mn、調諧平坦度優(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波段和波長可調的瓦量級超熒光光源。 (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，對低功率摻鉺超熒光進行放大，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，并對其物理機制進行了探討。 (2)L波段超熒光光源利用雙程前向鉺鐿共摻光纖放大器，對低功率的L波段種子源進行放大，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，更有利于實現(xiàn)高功率、平坦的超熒光輸出。 (3)峰值波長可調的超熒光光源由種子源、前置放大器和功率放

6、大器三級構成，中間插入濾波器進行波長選擇，得到大于1.8W超熒光輸出，為迄今為止見于報道的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L波段摻鉺光纖激

7、光器基本特性進行研究。發(fā)現(xiàn)即使采用后向泵浦結構也能得到很高的相對于ASE基底的信噪比。而且，在泵浦波長從1530nm變化到1550nm的過程中，激光器效率變化不大，證實了采用寬帶源泵浦的可行性。通過選擇合適的泵浦波長可有效抑制輸出光譜中的ASE成分，從而提高信噪比。實驗證明泵浦波長為1545nm時，可同時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，對線形腔摻鉺光纖激光器進行后向泵浦，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％，激光線寬和相對于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構摻鉺光纖放大器，對低功率L波段寬帶光源進行放大，得到功率1.01W、光-光轉換效率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實現(xiàn)瓦量級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構中，將可調濾波器從馬赫一曾德爾干涉儀的合成臂移至其支臂中。實驗證明，該方案在保持輸出光譜質量不變的前提下，提高了激光器的輸出功率。以此為基礎，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97％的合成效率。計算證明，環(huán)形腔光纖激光器的相干合成不僅可將功率相近的