高功率包层泵浦掺镱光子晶体光纤激光器的研究

摘要

自上世纪90年代末，光子晶体光纤(PCF)以其独特的波导结构和优良的光学特性，为构建高性能光纤有源器件提供了一条新的思路。随着光纤制造工艺改进，大模面积和双包层设计的稀土元素掺杂PCF性能逐渐提高，高功率包层泵浦掺镱光子晶体光纤激光器(PCFL)成为国际光电子领域的研究热点。根据国内外研究方向和发展动态，结合实验室条件，本文在空气包层掺镱PCF研制、掺镱光子晶体光纤超荧光光纤光源(SFS)，连续/脉冲输出PCFL方面进行了深入系统地研究，主要研究内容包括： 1.高功率包层泵浦掺镱大模面积光子晶体光纤激光器的研究采用由Crystal Fiber A/S公司购买的掺镱LMA PCF研究了不同激光器结构对PCFL输出光谱和转换效率的影响，利用双向输出结构实现最大输出功率4.245 W，斜率效率 53.6％，激光波长稳定在 1067.5 nm，3dB线宽0.2 nm。 联合研制了高性能的双包层掺镱PCF，采用端面二色镜微调损耗的方法，实现了窄线宽激光输出 434 mW，斜率效率27.3％。采用更高泵浦功率实现了3.94W 的多模激光输出，此为目前利用国产PCF构建的掺镱PCFL的最高输出功率。 2.基于掺镱光子晶体光纤的高功率、宽带宽超荧光光纤光源的研究探讨了掺镱PCF斜角端切割角度和不同实验结构对超荧光输出功率和光谱带宽的影响；采用双程前向输出结构，实现了1.06μm波段最大超荧光输出功率2.54 W，3dB带宽11.69 nm；研究了端面抛光对SFS光谱的影响，在最大超荧光输出功率1.649 w时，3dB带宽为22.4 nm。 3.高功率、宽调谐范围掺镱光子晶体光纤激光器研究对比研究了Littrow、Littman、Littman-Littrow 三种外腔结构的前向输出可调谐掺镱PCFL的调谐范围、偏振以及输出功率随波长的变化特性；详细研究了Littman 外腔结构可调谐PCFL 中光栅倾斜角度对输出功率和调谐范围的影响；特别研究了光纤斜角切割角度对调谐范围的影响；重点研究了不同激光器结构和掺镱PCF中再吸收效应对调谐范围和输出功率的影响。采用多种结构实现了1016.8-1125 nm 范围共108.2 nm的调谐激光输出，选择合适掺杂浓度和长度的光纤可以得到更宽的调谐范围；采用后向输出结构，在入射泵浦功率13.04 W时，激光器调谐范围为 74.4 nm，在调谐激光波长 1080 nm 的输出功率为 5.51 W，斜率效率和阈值泵浦功率分别为 53.7％和2.6W；研究了偏振对调谐输出功率的影响，所有结构的可调谐激光器偏振度均大于80％。 4.AOM 主动调Q、自启动锁模脉冲输出掺镱光子晶体光纤激光器的研究采用声光Q开关进行了调Q掺镱PCFL的实验研究，获得了最大峰值功率3.318 kW，126.5 ns的脉冲输出，脉冲重复频率1.57 kHz。利用声光调制器作为频移器件进行了自启动锁模PCFL的实验研究，得到锁模脉冲的重复频率为14.88 MHz，脉冲宽度 2.4 ns。

目录

文摘

英文文摘

声明

第一章绪论

第一节光子晶体光纤概述

1.1.1光子晶体光纤及其分类

1.1.2光子晶体光纤的特性与应用

第二节包层泵浦超荧光光纤光源和光纤激光器的研究进展

1.2.1超荧光光纤光源研究进展

1.2.2高功率包层泵浦光纤激光器研究进展

1.2.3光子晶体光纤及其激光器的国内研究进展

第三节论文的主要研究内容和创新性研究成果

1.3.1论文的主要研究工作

1.3.2研究工作创新点和创新性成果

第二章高功率掺镱光子晶体光纤激光器的实验研究

第一节 光纤激光器研究中的仪器选择

2.1.1镱离子的能级结构及其光谱特性

2.1.2掺镱光子晶体光纤激光器泵浦源

2.1.3二色镜

2.1.4测量仪器与系统

2.1.5光纤激光器光路调节

第二节高功率掺镱光子晶体光纤激光器

2.2.1实验结构

2.2.2输出光谱特性

2.2.3输出功率特性

第三节双包层掺镱PCF研制与掺镱PCFL的实验研究

2.3.1掺镱双包层PCF研制

2.3.2实验结构

2.3.3低泵浦功率下掺镱PCFL的输出特性

2.3.4高泵浦功率下掺镱PCFL的输出特性

第四节小结

第三章基于掺镱光子晶体光纤的高功率、宽带宽超荧光光纤光源的研究

第一节超荧光光纤光源简介

第二节基于掺镱光子晶体光纤的超荧光光纤光源实验研究

3.2.1实验装置

3.2.2光纤斜角对光纤端面菲涅耳反射的抑制特性

3.2.3不同实验结构对输出功率和光谱的影响

3.2.4 PCF斜角端面抛光对SFS输出特性的影响

第三节小结

第四章高功率宽调谐范围掺镱光子晶体光纤激光器的研究

第一节前向输出可调谐掺镱PCFL

4.1.1前向输出可调谐掺镱PCFL的实验结构

4.1.2前向输出可调谐掺镱PCFL的调谐范围特性

4.1.3前向输出可调谐掺镱PCFL的输出光谱特性

4.1.4前向输出可调谐掺镱PCFL的输出功率特性

4.1.5 Littman腔前向输出结构中光栅角度对输出特性的影响

4.1.6前向输出可调谐掺镱PCFL的输出偏振特性

第二节后向输出可调谐掺镱PCFL

4.2.1后向输出可调谐掺镱PCFL的实验结构

4.2.2光纤斜角端残留反馈对调谐范围的影响

4.2.3高功率、宽调谐范围后向输出可调谐掺镱PCFL

第三节宽调谐范围掺镱PCFL

4.3.1短长度光纤后向输出可调谐掺镱PCFL

4.3.2宽调谐范围可调谐掺镱PCFL的实验研究

第四节小结

第五章高峰值功率脉冲输出掺镱光子晶体光纤激光器研究

第一节调Q脉冲输出掺镱光子晶体光纤激光器

5.1.1实验结构

5.1.2实验结果

第二节自启动锁模掺镱光子晶体光纤激光器

5.2.1实验结构

5.2.2实验结果

第三节小结

总 结

参考文献

致谢

个人简历 攻读硕士期间发表学术论文和研究成果