摻Tm3+硅基光纖布拉格光柵的飛秒激光刻寫技術研究.pdf

1、摻Tm3+光纖激光器在工業(yè)、醫(yī)療、科技及軍事領域具有重要應用前景。光纖布拉格光柵(FBG)是構成光纖激光器的重要元件?；贔BG的光纖激光器具有窄線寬輸出、結構簡單、性能穩(wěn)定、易于維護等優(yōu)點。但摻Tm3+光纖不具備光敏性，利用紫外脈沖激光很難在其中刻寫FBG，即使采用增敏技術提高其光敏性，獲得的FBG的折射率調(diào)制量也很小，尚不能滿足應用要求，阻礙了摻Tm3+光纖激光器全光纖化的發(fā)展。近年來，利用近紅外超短脈沖激光在非光敏光纖上刻寫FBG

2、，引起學術界和工程界的廣泛關注。與利用紫外脈沖激光在光敏光纖上刻寫FBG的傳統(tǒng)技術相比，該方法具有更大的應用價值。本文對飛秒脈沖激光刻寫FBG技術及相關理論進行了系統(tǒng)地研究。
　　以光纖光柵的基本方程耦合模理論為基礎，分析了正弦折射率調(diào)制型和矩形折射率調(diào)制型單模均勻FBG的光譜特性，得到了FBG結構參數(shù)對其性能的影響規(guī)律；模擬了這兩種折射率調(diào)制形式的二階FBG的反射譜，得出了矩形折射率調(diào)制FBG具有高階光譜響應的結論，為實驗上刻寫

3、高階FBG提供了理論依據(jù)。從相位匹配的角度計算了多模FBG可能的諧振波長，并通過解兩個模式的耦合模方程予以證實；同時，分析了激發(fā)條件對多模FBG光譜的影響。為彌補耦合模理論的不足，引入了兩種可以用來分析非均勻FBG特性的數(shù)值方法，獲得了高斯趾切折射率調(diào)制型FBG的反射光譜。
　　利用Z-scan技術，對800nm飛秒脈沖激光與硅基光纖包層、摻Yb3+纖芯、摻Tm3+纖芯的相互作用進行了理論分析和實驗研究。利用歸一化透過率公式對實驗

4、數(shù)據(jù)進行擬合，獲得了800nm飛秒激光與上述介質(zhì)的相互作用是五光子非線性吸收的結論，相應的非線性吸收系數(shù)為10-47cm7/W4、10-47cm7/W4和10-50cm7/W4。對這三種介質(zhì)進行了非線性透射實驗研究，獲得硅基光纖包層和摻Yb3+纖芯的Type I型損傷閾值分別為14.5TW/cm2和13TW/cm2；對于摻Tm3+纖芯，由于Tm3+對800nm激光的共振吸收，未能準確獲取相應的閾值。
　　對于飛秒激光相位掩模法刻寫

5、系統(tǒng)的設計，主要是以光柵方程為基礎，結合飛秒激光的寬線寬特性，分析了相位掩模參數(shù)對刻寫用干涉條紋的影響，得到了合理設計相位掩模的原則，并計算出了光纖與相位掩模的最佳距離。利用高斯光束光學和傍軸近似分析了光纖的圓柱面內(nèi)包層對聚焦的影響，從理論上計算了相位掩模法所用聚焦透鏡的焦距。
　　對于飛秒激光逐點法刻寫系統(tǒng)的研究，主要解決了兩個技術問題。一是對光纖在光學顯微鏡下的成像進行了實驗研究，建立了基于CCD攝像機的成像系統(tǒng)，解決了逐點法

6、刻寫FBG的對準問題；二是分析了消除柱透鏡效應的方法，提出了針對本文實驗所用光纖的消除柱透鏡效應的方法。
　　針對相位掩模法存在的局限性，對利用透鏡成像技術改變相位掩模周期的方法進行了理論分析，獲得了FBG波長隨調(diào)諧參數(shù)變化的趨勢，證明了這種技術可在一定范圍內(nèi)實現(xiàn)FBG波長的連續(xù)可調(diào)。在實驗上，通過調(diào)整相位掩模與光纖，以及相位掩模與調(diào)諧透鏡的距離，實現(xiàn)了基于同一塊相位掩模板在較大的波長范圍內(nèi)(1882.5～1970.8nm)制作出

7、了四種不同波長的FBG，并實現(xiàn)了激光輸出。
　　通過對線性腔雙包層摻Tm3+光纖激光器輸出特性的分析，獲得了其輸出功率與腔鏡反射率的關系。利用該關系及LD泵浦雙包層光纖激光器輸出激光的波長和功率，對實驗獲得的FBG的反射波長和反射率進行評估：靜態(tài)刻寫的單模摻Tm3+光纖中FBG的反射率大于93.7％，多模摻Tm3+光纖中FBG的反射率約為5.3%。應用相位掩模掃描刻寫技術在正八邊形雙包層摻Tm3+光纖中寫入了12mm長的FBG，其