基于新型结构的长波长中红外光纤激光器

摘要

~3μm波段的中红外激光在国防、医学、环保等方向具有广泛的应用前景,引起了人们浓厚的兴趣.相比于连续和锁模光纤激光器,~3μm波段的调Q光纤激光器可以提供ns或ms脉冲持续时间的能量,在某些特殊应用中是理想的,例如气体传感,塑料和聚合物加工,激光手术刀,无创医学诊断,红外对抗和激光雷达.本文主要研究基于Ho3+/Pr3+共掺和掺Dy3+氟化物(ZBLAN)光纤的被动调Q脉冲光纤激光器,具体研究内容如下: 1.我们对Ho3+/Pr3+共掺ZBLAN光纤内产生~3μm激光的跃迁经过进行了详细分析,并且建立了基于Ho3+/Pr3+共掺ZBLAN光纤的被动调Q速率方程.经过数值仿真分析,我们优化光纤长度以及稀土掺杂离子浓度来实现高斜率效率、低激光阈值的激光器,此外还分析脉冲输出特性(重频、脉冲宽度)随泵浦功率的函数关系.当光纤长度为5m,Ho3+和Pr3+离子掺杂浓度分别为3mol.%和0.25mol.%时,可以实现斜率效率和激光阈值分别为32.6%和162.6mW的光纤激光器.为后续被动调QHo3+/Pr3+共掺ZBLAN光纤激光器的实验进行理论指导. 2.在数值仿真的基础上,我们搭建了基于金纳米棒(GNR)的Ho3+/Pr3+共掺ZBLAN光纤激光器.实验中采用长度为5.2m,掺Ho3+、Pr3+离子浓度分别为3mol.%和0.25mol.%的ZBLAN光纤,利用1150nm激光二极管(LD)作为泵浦源,GNR可饱和吸收体(SA)作为脉冲调制器件.在激励源源功率最大为244.7mW时,得到输出功率最高为20mW的调Q脉冲,其工作波长为2.868μm,最大重复频率和最小脉冲宽度分别为55.5kHz和2.12μs. 3.为了更好地调制~3μm脉冲,通过改变GNR种子生长过程获得纵横比为~20的大长径比金纳米棒(LAR-GNR),并基于LAR-GNR搭建了可调谐Ho3+/Pr3+共掺ZBLAN光纤激光器.其中,波长调谐器件为平面闪耀光栅.我们分析了体系输出脉冲特性(重频,脉冲宽度)随泵浦源功率以及波长变化的函数关系,在泵浦功率最大为307.2mW时,波长调谐范围为2834.5~2881.0nm,输出功率最大为30.8mW,其最大重复频率和最小脉冲宽度分别为78.12kHz和2.18μs. 4.首先从Dy3+离子在~3μm的发射截面出发分析其长波长宽带调谐的可能性.实验中利用1100nmLD作为激励源,平面光栅为波长调谐器件,宽带半导体可饱和吸收镜(SESAM)作为脉冲调制器件以及长度为1.2m、掺Dy3+离子浓度为0.1mol.%的ZBLAN光纤,获得最大输出功率为171.3mW的调谐脉冲,其调谐范围2854nm~2995.6nm(141.6nm),是迄今最宽范围的~3μm被动调Q调谐脉冲.

目录

声明

第一章 绪论

1.1 研究背景

1.2 产生中红外激光的技术手段

1.3~3 um脉冲光纤激光器的研究历程

1.3.1~3μm增益调制光纤激光器的探索历程

1.3.2~3 um调Q光纤激光器的探索历程

1.4 金纳米棒作为可饱和吸收体的研究意义

1.5 本文主要内容

第二章被动调Q Ho3+/Pr3+共掺ZBLAN光纤激光器的数值仿真

2.1 引言

2.2被动调Q Ho3+/Pr3+共掺ZBLAN光纤激光器的数值模型建立

2.3 系统输出特性分析以及参数优化

2.3.1 光纤长度对激光器输出性能的影响

2.3.2掺杂浓度对激光器输出特性的影响

2.3.3 泵浦功率对脉冲输出特性的影响

2.4 本章小结

第三章 基于金纳米棒材料的Ho3+/Pr3+共掺ZBLAN光纤激光器的实验研究

3.1 引言

3.2基于GNR被动调Q光纤激光器的实验研究

3.2.1 GNR的制备和特性

3.2.2 实验装置

3.2.3 实验结果与分析

3.3基于LAR-GNR的可调谐被动调Q光纤激光器的实验研究

3.3.1 LAR-GNR的制备和特性

3.3.2 实验装置

3.3.3 实验结果与分析

3.4 本章小结

第四章~3 μm宽范围调谐被动调Q掺Dy3+ ZBLAN光纤激光器的实验研究

4.1 引言

4.2.1 Dy3+离子的发射截面其及能级示意图

4.2.2实验装置

4.2.3实验结果与分析

4.3 本章小结

第五章 全文总结与展望

5.1 全文总结与展望

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