高功率和高能量中红外光纤激光器的理论和实验研究

摘要

近年来，3.0μm波段的高功率和高能量光纤激光器因其在医疗、材料加工、大气监测、军事对抗以及科研领域的潜在应用前景，已经引起了越来越多国内外科研工作者的关注。3.0μm波段的高功率和高能量光纤激光器有着光纤激光器体积小、易于集成、光束质量好、灵活性高等优点，已经成为了中红外激光器发展的主要方向之一。本文从理论和实验上重点研究了高功率连续光纤激光器和高能量脉冲光纤激光器。本研究主要内容包括：
　　⑴基于级联掺Er3+和掺Ho3+ZBLAN光纤激光器的速率方程、功率传输方程和产热方程建立了综合的理论模型。通过对模型数值求解，对光纤长度、离子掺杂浓度、能级跃迁过程、输出耦合、泵浦参数和产热特性等进行了深入研究。结果表明当离子掺杂浓度高于1 mol.％时，激光的斜率效率和阈值都会随着离子浓度的增加而稳步地增加；减少上能级跃迁的输出耦合可以降低下能级跃迁的阈值，而降低下能级跃迁的输出耦合有利于上能级跃迁；后向泵浦方式可以获得最高的斜率效率；相对于高浓度掺杂光纤，低浓度掺杂光纤出现输出功率饱和现象时所对应的泵浦功率较高；低浓度级联掺杂光纤是最适合高功率输出的光纤，因为其可以在实现较高的斜率效率的同时拥有较低的温度，并且不会出现输出功率的饱和。
　　⑵基于理论优化结果，搭建了高功率级联掺Er3+ZBLAN光纤激光器，其中低浓度1.5mol.%的掺Er3+ZBLAN光纤作为增益光纤，用975nm的高功率激光器作为泵浦源。在泵浦功率达到64 W时，实现了中心波长为2885nm的连续激光的输出，最大输出功率达到了为15.2W，相应的斜率效率为26.7%。这是目前基于低浓度掺Er3+ZBLAN光纤，在无水冷的情况下所得到的最高输出功率。同时，我们在泵浦功率为17.28W时，观测到了1.6μm级联激光的产生，最大输出功率3.2W，斜率效率7.1%。
　　⑶应用新型二维材料拓扑绝缘体作为可饱和吸收体，并对其可饱和吸收特性进行了测试，其调制深度为51.3%。然后我们搭建了被动调 Q脉冲光纤激光器，其中掺Ho3+ZBLAN光纤作为增益光纤，泵浦光波长为1150 nm。在3.1 W的最大泵浦功率下实现了中心波长为2979.9 nm的脉冲激光输出，最大重复频率为81.96 kHz，最短脉冲宽度为1.37μs，最大输出功率为327.4 mW，相应的斜率效率为11.6%，单脉冲脉冲能量达到了3.99μJ。上述结果表明拓扑绝缘体很适合用作可饱和吸收体来产生3μm波段的脉冲激光。
　　⑷将重复频率为107.5 kHz，脉冲宽度为1.29μs的基于SESAM的被动调Q脉冲激光作为种子源，结合Master Oscillator Power Amplifier(MOPA)即主震荡功率放大技术，实现了脉冲激光的放大。将种子激光注入掺Er3+ZBLAN光纤，在4.46 W的放大泵浦功率下实现了重复频率为94.3~151.5 kHz，脉冲宽度为0.82~1.21μs的脉冲放大激光的输出，最大输出功率为864.9mW，相应的斜率效率为21.1%，其中心波长为从2820nm红移2835nm，这是由于4I11/2→4I13/2能级跃迁终止斯塔克能级的变化。随着放大泵浦功率的继续增加，脉冲激光的脉冲序列出现畸变，再继续增大泵浦功率脉冲序列会消失，这主要是由于自激振荡的连续激光抑制了种子脉冲激光。

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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国内外研究现状

1.3 本文主要内容

第二章 级联掺Er3+和掺Ho3+氟化物光纤激光器数值模型建立和参数优化

2.1 引言

2.2 级联系统数值模型的建立

2.3 级联系统参数优化与分析

2.4 本章小结

第三章 高功率级联掺Er3+ZBLAN光纤激光器的实验研究

3.1 引言

3.2 高功率级联掺Er3+ZBLAN激光器实验研究

3.3 本章小结

第四章 基于拓扑绝缘体被动调Q掺Ho3+ZBLAN光纤激光器的实验研究

4.1 引言

4.2 拓扑绝缘体的可饱和吸收特性测试

4.3 基于拓扑绝缘体被动调Q掺Ho3+ZBLAN光纤激光器的实验研究

4.4 本章小结

第五章 基于被动调Q脉冲种子源的MOPA放大实验研究

5.1 引言

5.2 基于SESAM被动调Q脉冲种子源的实验研究

5.3 基于被动调Q脉冲种子源的MOPA放大实验研究

5.4 本章小结

第六章 全文总结与展望

6.1 全文总结

6.2 工作展望

致谢

参考文献

攻读硕士学位期间取得的成果