高功率和高能量中紅外光纖激光器的理論和實驗研究.pdf

1、近年來，3.0μm波段的高功率和高能量光纖激光器因其在醫(yī)療、材料加工、大氣監(jiān)測、軍事對抗以及科研領(lǐng)域的潛在應(yīng)用前景，已經(jīng)引起了越來越多國內(nèi)外科研工作者的關(guān)注。3.0μm波段的高功率和高能量光纖激光器有著光纖激光器體積小、易于集成、光束質(zhì)量好、靈活性高等優(yōu)點，已經(jīng)成為了中紅外激光器發(fā)展的主要方向之一。本文從理論和實驗上重點研究了高功率連續(xù)光纖激光器和高能量脈沖光纖激光器。本研究主要內(nèi)容包括：
　　⑴基于級聯(lián)摻Er3+和摻Ho3+ZB

2、LAN光纖激光器的速率方程、功率傳輸方程和產(chǎn)熱方程建立了綜合的理論模型。通過對模型數(shù)值求解，對光纖長度、離子摻雜濃度、能級躍遷過程、輸出耦合、泵浦參數(shù)和產(chǎn)熱特性等進(jìn)行了深入研究。結(jié)果表明當(dāng)離子摻雜濃度高于1 mol.％時，激光的斜率效率和閾值都會隨著離子濃度的增加而穩(wěn)步地增加；減少上能級躍遷的輸出耦合可以降低下能級躍遷的閾值，而降低下能級躍遷的輸出耦合有利于上能級躍遷；后向泵浦方式可以獲得最高的斜率效率；相對于高濃度摻雜光纖，低濃度摻雜

3、光纖出現(xiàn)輸出功率飽和現(xiàn)象時所對應(yīng)的泵浦功率較高；低濃度級聯(lián)摻雜光纖是最適合高功率輸出的光纖，因為其可以在實現(xiàn)較高的斜率效率的同時擁有較低的溫度，并且不會出現(xiàn)輸出功率的飽和。
　?、苹诶碚搩?yōu)化結(jié)果，搭建了高功率級聯(lián)摻Er3+ZBLAN光纖激光器，其中低濃度1.5mol.%的摻Er3+ZBLAN光纖作為增益光纖，用975nm的高功率激光器作為泵浦源。在泵浦功率達(dá)到64 W時，實現(xiàn)了中心波長為2885nm的連續(xù)激光的輸出，最大輸出功率

4、達(dá)到了為15.2W，相應(yīng)的斜率效率為26.7%。這是目前基于低濃度摻Er3+ZBLAN光纖，在無水冷的情況下所得到的最高輸出功率。同時，我們在泵浦功率為17.28W時，觀測到了1.6μm級聯(lián)激光的產(chǎn)生，最大輸出功率3.2W，斜率效率7.1%。
　?、菓?yīng)用新型二維材料拓?fù)浣^緣體作為可飽和吸收體，并對其可飽和吸收特性進(jìn)行了測試，其調(diào)制深度為51.3%。然后我們搭建了被動調(diào) Q脈沖光纖激光器，其中摻Ho3+ZBLAN光纖作為增益光纖，泵

5、浦光波長為1150 nm。在3.1 W的最大泵浦功率下實現(xiàn)了中心波長為2979.9 nm的脈沖激光輸出，最大重復(fù)頻率為81.96 kHz，最短脈沖寬度為1.37μs，最大輸出功率為327.4 mW，相應(yīng)的斜率效率為11.6%，單脈沖脈沖能量達(dá)到了3.99μJ。上述結(jié)果表明拓?fù)浣^緣體很適合用作可飽和吸收體來產(chǎn)生3μm波段的脈沖激光。
　?、葘⒅貜?fù)頻率為107.5 kHz，脈沖寬度為1.29μs的基于SESAM的被動調(diào)Q脈沖激光作為種

6、子源，結(jié)合Master Oscillator Power Amplifier(MOPA)即主震蕩功率放大技術(shù)，實現(xiàn)了脈沖激光的放大。將種子激光注入摻Er3+ZBLAN光纖，在4.46 W的放大泵浦功率下實現(xiàn)了重復(fù)頻率為94.3~151.5 kHz，脈沖寬度為0.82~1.21μs的脈沖放大激光的輸出，最大輸出功率為864.9mW，相應(yīng)的斜率效率為21.1%，其中心波長為從2820nm紅移2835nm，這是由于4I11/2→4I13/2能