高能量主动调 QZBLAN 脉冲光纤激光器的理论和实验研究

摘要

中红外激光器一直是激光研究领域的热点，在国防、生物医学、大气环境监测等领域具有广阔的应用前景。中红外光纤激光器是近几年发展起来的新技术，与传统的固体和气体激光器相比，具有光束质量好、散热性好、转换效率高、结构简单等诸多优点。与连续输出的光纤激光器相比，调Q脉冲光纤激光器可以在不太高的平均功率下获得更高的峰值功率和脉冲能量，因此发展中红外调Q脉冲光纤激光器在工业加工、激光医疗、和光电对抗等领域具有更为重要的应用价值。目前，国内外已有大量关于中红外调Q脉冲光纤激光器的实验报道，但相关理论研究的报导却较少。因此本文工作主要如下：
　　1.建立了基于高浓度掺Er3+ZBLAN光纤的主动调Q光纤激光器和低浓度掺Ho3+ZBLAN级联光纤的主动调Q光纤激光器的理论数值模型，模拟分析了纤芯半径，泵浦功率，重复频率，光纤损耗，光纤长度，声光效率等对调Q脉冲输出特性的影响。结果表明对高浓度掺Er3+光纤采取前向泵浦方式，对低浓度掺Ho3+光纤采取双向泵浦方式会引起各自脉冲能量，峰值功率和存储能量上升，脉冲宽度减小；提高泵浦功率或减小重复频率能输出更高能量，更窄脉宽，更高峰值功率的脉冲并增加光纤存储能量；光纤纤芯半径较大会引起脉冲能量，脉冲宽度和存储能量上升，峰值功率下降；光纤长度过长会引起脉冲能量下降，脉冲宽度上升和脉冲建立时间的增加；光纤激光器内的损耗(AOM损耗，光纤损耗，输出耦合损耗)都会引起输出能量和峰值功率下降，但对脉冲宽度没有影响。
　　2.通过理论优化设计，首先搭建了主动调Q掺Ho3+ZBLAN级联光纤激光器，实现了高能量、高功率的双波段3pm和2p m的脉冲稳定激光输出。其中3μm波段脉冲激光在重复频率25kHz处得到最高峰值功率为78W，最大脉冲能量29.8μJ，而2pm波段脉冲在重复频率17kHz处得到最高峰值功率49W，最大脉冲能量9.2μJ。其次，搭建了主动调Q导引增益调制脉冲光纤激光器，通过对平面光栅的调节实现了波长调谐范围在2.95μm到3.031μm的5I6→5I7跃迀的脉冲激光输出和2μm波段的稳定脉冲增益调制输出。当重复频率为40kHz时，得到了最大脉冲能量17μJ，最大峰值功率43W，脉冲宽度410ns的3μm波段脉冲激光输出，对应的2μm波段脉冲的最大脉冲能量为3.7μJ，脉冲宽度为550ns，并且输出波长基本不变。

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