高功率连续和调Q脉冲中红外光纤激光器的研究

摘要

近年来，波长为3μm的高功率光纤激光器因其在激光手术、材料加工、军事对抗以及科研等方面的巨大应用前景，同时相比于其它类型的激光器具有光束质量高、散热性能好、转换效率高、灵活性好等特点，从而激起了海内外科研人员极大的研究兴趣。基于中红外光纤激光器的以上特点，本文着重研究高功率连续和调Q脉冲中红外光纤激光器。主要内容可以分为以下几个部分：
　　（1）基于高浓度掺 Er3+ZBLAN光纤中铒离子的能级跃迁过程，建立了表示各能级粒子数密度变化的速率方程和表征功率随时间和空间变化的功率传输方程，同时结合谐振腔边界条件构建了高浓度掺Er3+ZBLAN光纤激光器系统模型。通过综合考虑激光斜率效率、阈值泵浦功率和光纤产热等随谐振腔参数及泵浦源参数的变化，我们对光纤长度、掺杂浓度、输出反射率和泵浦波长等因素进行了优化。
　　（2）利用4.1m长的高浓度掺Er3+ZBLAN光纤作为增益光纤，搭建了高功率掺Er3+ZBLAN光纤激光器，并研究了其输出特性。最终，实现了最大功率为7.11W，中心波长为2802nm的连续激光输出，对应最大功率波动范围为4.3％，斜率效率为36.06%，已经超过34.3%的斯托克斯极限。
　　（3）首先，我们搭建了基于SESAM可饱和吸收体的被动调Q掺Er3+ZBLAN光纤激光器，并得到了稳定的调Q脉冲。研究分析了对应不同泵浦功率的调Q脉冲输出特性，得到了最大脉冲能量为3.52μJ，平均功率为0.252W，脉宽为1.7μs，重复频率为71.43kHz，中心波长为2786.8nm的稳定调Q脉冲激光。而后，我们搭建了基于高浓度掺 Er3+ZBLAN光纤的主振荡功率放大（Master Oscillator Power Amplifier，简称MOPA）系统，将前面得到的稳定调Q脉冲作为种子源注入MOPA系统，研究了MOPA系统中不同光纤端面切角下输出脉冲的放大特性，最终得到了最大平均功率和脉冲能量分别为4.2W和58.87μJ的放大脉冲输出，对应脉冲宽度为2.29μs，重复频率为71.73kHz，光谱的中心波长为2786.8nm，MOPA系统的斜率效率为30.79%。

目录

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第一章 绪 论

1.1 中红外激光的应用

1.2 中红外光纤激光器的优势

1.3 中红外光纤激光器的国内外研究现状

1.4 本文主要内容

第二章 高浓度掺Er3+ZBLAN光纤激光器的理论研究

2.1 介绍

2.2 高浓度掺Er3+ZBLAN光纤激光器的数值模型建立

2.3 模型的验证和参数的确定

2.4 系统参数优化与分析

2.5 本章小结

第三章 高功率掺Er3+ZBLAN光纤激光器的实验研究

3.1 介绍

3.2 实验装置

3.3 实验结果与分析

3.4 本章小结

第四章 基于SESAM被动调Q脉冲种子源的MOPA放大系统的实验研究

4.1 介绍

4.2 基于SESAM的被动调Q脉冲种子源的实验研究

4.3 基于掺Er3+ZBLAN光纤的MOPA系统的实验研究

4.4 本章小结

第五章 总结与展望

5.1 全文总结

5.2 工作展望

致谢

参考文献

攻读硕士学位期间取得的成果