掺铥石英光纤及2微米全光纤连续激光器研究

摘要

光纤激光器与传统激光器相比，具有效率高、阈值低、光束质量好、结构简单紧凑、波长可调范围大、能在恶劣环境中工作等优点，越来越受到人们的青睐。除了共有优点外，由于掺Tm3+光纤激光器输出的激光处于2μm波段，有着人眼安全、处在水吸收峰和“大气窗口”等特性，在生物医学、激光探测、遥感、光通信、材料处理、军事等领域具有特殊的优势。然而，由于2μm激光涉及政治军事等敏感领域，国外对高性能的掺Tm3+光纤实行严格的把控，禁止对我国出口。因此，实现高性能掺Tm3+光纤、高功率2μm光纤激光器国产化有着重大的意义。
　　本论文的主要工作是分别从技术理论和实验两个部分，对掺Tm3+光纤及掺Tm3+光纤激光器的研制过程，进行较为详尽的阐述。
　　技术理论部分，本文从掺Tm3+光纤基本原理出发，研究Tm3+离子能级结构、光谱、以3H6→3H4为重点的泵浦方式和Tm3+离子之间的相互作用。
　　学习基于改进的化学气相沉积工艺（Modified Chemical Vapor Deposition,MCVD）制备掺Tm3+光纤预制棒并拉制成光纤的制备过程。
　　研究TDFL的关键技术：光纤激光器两种基本结构（单线型腔直接泵浦/主控振荡功率放大）、包层泵浦技术、光纤布拉格光栅技术、耦合技术、高衰减包层光滤除技术以及激光输出端面处理技术。详细分析双包层光纤能将泵浦激光二极管发出的低光束质量泵浦光高效率的转化为基模激光的原因。
　　实验部分，基于光纤制备技术，对自主研制的掺Tm3+光纤进行性能测试、对比，并筛选性能最为优良的光纤用于掺Tm3+光纤激光器研究。基于高衰减包层光滤除技术完成激光模式优化实验；基于输出端面处理技术完成端帽制备实验。
　　重点研究内容为793nm泵浦高功率掺Tm3+连续全光纤激光器。实现单线型腔直接泵浦结构121W掺Tm3+光纤激光器，系统采用25/250双包层掺Tm3+石英光纤作为增益介质，斜率效率51％，中心波长1915nm；另完成主控振荡功率放大（Master Oscillator Power-Amplifier，MOPA）结构295W掺Tm3+光纤激光器，系统采用更高性能的25/400双包层掺Tm3+石英光纤作为增益介质，斜率效率49.61%，中心波长1981nm，截至实验完成时，该激光器在国内有公开报道的掺Tm3+光纤激光器中，输出功率是最高的。
　　研究Tm3+离子的同带泵浦，通过实验成功实现一个同带泵浦激光器，该激光器采用1915nmTDFL泵浦源泵浦，得到1980nm激光输出，输出功率63W，斜率效率79%。该实验验证了除主流的793nm泵浦方式以外，利用其他波长泵浦源泵浦掺Tm3+光纤激光器的可能性，并将两种方式进行对比，分析其中的优劣势。

目录

声明

1 绪论

1.1 掺Tm3+光纤激光器的特点

1.2 掺Tm3+光纤激光器国内外研究情况

1.3 本论文的主要内容

1.4 本论文的创新点

2 掺Tm3+光纤理论基础

2.1 Tm3+离子的能级与光谱

2.2 掺Tm3+双包层激光的泵浦

2.3 Tm3+离子间的相互作用

2.4 掺Tm3+双包层光纤的制备

2.5 本章小结

3 掺Tm3+光纤激光器原理

3.1 光纤激光器的结构与原理

3.2 谐振腔与泵浦源的耦合

3.3 双包层光纤和包层泵浦技术

3.4 光纤布拉格光栅

3.5 高衰减包层光滤除技术

3.6 光纤输出端面处理

3.7 本章小结

4 掺Tm3+高功率连续激光器实验

4.1 光纤低损耗熔接

4.2 121W输出直腔结构掺Tm3+连续光纤激光器实验

4.3 295W输出MOPA结构掺Tm3+连续光纤激光器实验

4.4 光纤性能测试实验

4.5 本章小结

5 同带泵浦实验

5.1 同带泵浦研究背景

5.2 同带泵浦掺Tm3+光纤激光器实验

5.3 本章小结

6 总结与展望

6.1 总结

6.2 展望

致谢

参考文献

附录1 攻读硕士学位期间发表论文目录