中红外光纤激光器与波导探测器研究

摘要

输出波长为2~5μm的中红外激光在医学、国防、激光测距和通信以及气体探测和分子光谱学都有着重要的应用前景。在生物医学中，工作波长在近3μm的激光能够被水分子强烈吸收，因此利用它可以进行医学上面的激光微治疗、精确的切割和软组织切除手术，并加快伤口愈合。另外，3~5μm中红外激光位于透光率良好的“大气透明窗口”，该波段激光对大雾、烟尘等具有较强的穿透力，在海平面上传输受到气体分子散射小，因此3μm中红外脉冲激光也非常适于激光大气通信、激光测距和远程遥感。在光电系统接收端，波导光电探测器因其可以克服传统探测器内量子效率限制、降低背景噪声等优点，同样吸引了广泛关注。本文中，主要从以下三个方面对掺 Ho3+氟化物中红外光纤激光器和波导光电探测器进行了分析：
　　1.建立了中红外单掺 Ho3+、级联及 Ho3+、Pr3+共掺氟化物光纤激光器的理论模型和速率方程。对激光器激发态吸收、能量传递上转换、能量传递对激光器性能的影响进行了模拟分析，并将理论模拟结果和已报道的实验结果进行了对比。
　　2.进行了中红外掺Ho3+氟化物光纤激光实验，实现了辐射波长大于3?m输出功率0.77W的连续波光纤激光器。这也是第一个瓦级输出的掺Ho3+光纤激光器。然后进行了中红外可调谐调Q掺Ho3+氟化物光纤激光实验，成功实现超过3μm可调谐的调Q光纤激光输出，波长调谐范围超过了80nm(2.95μm~3.031μm)，并且在整个输出波长范围都观察到5I6→5I7能级跃迁的稳定脉冲串。
　　3.建立了三维光束传播法的模型，并基于该理论设计并计算了稀释波导的能量传输、有效折射率等；然后利用FIMMPROP软件，设计了一个完整的稀释波导光电探测器，并对器件整体的能量传输、极化匹配、光电流等过程进行了精确的模拟仿真和测量，计算了在不同光纤波导、耦合波导、吸收区的结构下相关的参数并进行了优化。

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第一章 绪论

1.1 引言

1.2中红外光纤激光器的基本结构与研究进展

1.2.1 掺Ho3+ZBLAN中红外光纤激光器的研究进展

1.2.2 掺Er3+ZBLAN中红外光纤激光器的研究进展

1.3 波导探测器研究现状

1.3.1 波导探测器简介

1.3.2 倏逝耦合波导光电探测器

第二章 中红外掺Ho3+氟化物光纤激光器的理论模型与模拟分析

2.1掺Ho3+氟化物光纤激光器的理论模型

2.1.1 级联掺Ho3+ ZBLAN光纤激光器的理论模型

2.1.2 Ho3+、Pr3+共掺ZBLAN光纤激光器的理论模型

2.1.3 单共振掺Ho3+ ZBLAN光纤激光器的理论模型

2.2 掺Ho3+氟化物光纤激光器的模拟计算与分析

2.2.1 级联掺Ho3+ ZBLAN光纤激光器优化设计

2.2.2 Ho3+、Pr3+共掺ZBLAN光纤激光器理论仿真

2.2.3 单跃迁掺Ho3+ ZBLAN光纤激光器理论仿真

2.3 小结

第三章 掺Ho3+中红外光纤激光器的实验模拟

3.1 掺Ho3+级联ZBLAN光纤激光器

3.1.1 1150nm泵浦掺Ho3+ZBLAN光纤激光器实验装置与结构

3.1.2 实验结果与分析

3.2可调谐调Q脉冲掺Ho3+ ZBLAN光纤激光器

3.2.1 实验装置与结构

3.2.2 实验结果与分析

3.3 小结

第四章 波导光电探测器的设计模拟

4.1 理想平板介质光波导

4.1.1 理想平板介质波导中的TE模

4.1.2 理想平板介质光波导中的能量传输

4.2 三维光传输BPM算法

4.2.1 三维矢量和半矢量波动方程

4.2.2 三维半矢量波动方程的化简

4.2.3 稀释波导模拟仿真

4.3 波导光电探测器的优化设计

4.4 小结

第五章 结论与展望

致谢

参考文献

攻读硕士期间取得的研究成果