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文檔簡介
1、2-5μm波段的中紅外超連續(xù)譜光源在基礎(chǔ)科學、環(huán)境監(jiān)測、生物醫(yī)療和國防安全等眾多領(lǐng)域都有著廣泛的應(yīng)用需求?;谌饫w結(jié)構(gòu)的中紅外超連續(xù)譜光源無分立元件、結(jié)構(gòu)緊湊、光束質(zhì)量好、易于維護,是國際上超連續(xù)譜光源研究的熱點之一。隨著摻銩光纖激光器的發(fā)展,采用2μm脈沖激光和摻銩光纖放大器作為泵浦源是中紅外超連續(xù)譜光源的發(fā)展趨勢,然而目前相關(guān)研究還處于起步階段,瓦量級輸出的研究報道仍然較少。本文對基于ZBLAN(ZrF4-BaF2-LaF3-Al
2、F3-NaF)氟化物光纖的高功率全光纖中紅外超連續(xù)譜光源展開全面系統(tǒng)的研究,并以2μm主振蕩功率放大器(MOPA)系統(tǒng)泵浦ZBLAN光纖獲得了高功率的中紅外超連續(xù)譜光源,論文的主要內(nèi)容包括:
1.回顧了超連續(xù)譜光源的發(fā)展歷史,介紹了中紅外超連續(xù)譜光源的應(yīng)用需求,討論了中紅外超連續(xù)譜產(chǎn)生的材料選擇,綜述了中紅外超連續(xù)譜光源的研究進展。根據(jù)材料特點和研究現(xiàn)狀,確定軟玻璃光纖中制造工藝最為成熟的ZBLAN光纖為本文中紅外超連續(xù)譜產(chǎn)生
3、研究的非線性材料。
2.展開了中紅外超連續(xù)譜產(chǎn)生的數(shù)值研究。介紹了廣義非線性薛定諤方程的時域和頻率模型及其求解方法,分析了ZBLAN光纖的光學特性,包括光纖的色散、損耗、拉曼響應(yīng)函數(shù)和非線性系數(shù)等,討論了ZBLAN光纖的參數(shù)選擇,并數(shù)值研究了ZBLAN光纖中超連續(xù)譜的產(chǎn)生過程。對不同波長和脈沖寬度的激光泵浦ZBLAN光纖產(chǎn)生超連續(xù)譜進行了比較。數(shù)值結(jié)果表明,和1.55μm脈沖激光泵浦相比,2μm脈沖激光泵浦ZBLAN光纖有利于
4、提高中紅外超連續(xù)譜中長波長的功率比例;相同的峰值功率下,脈沖寬度越大輸出光譜的展寬效果越好。
3.研究了2μm脈沖激光的產(chǎn)生技術(shù)。獲得了2μm波段穩(wěn)定的半導體可飽和吸收鏡(SESAM)被動調(diào)Q脈沖輸出,脈沖重復頻率可從20 kHz增加到80 kHz,同時脈沖的寬度可從1μs減小到362 ns。通過SESAM被動鎖模技術(shù),獲得了輸出波長為1960 nm的皮秒脈沖。基于復合腔高重頻鎖模技術(shù),實現(xiàn)了重復頻率為100 MHz,脈沖寬度
5、為850 ps的1960 nm鎖模脈沖。首次分析了基于超連續(xù)譜光源的2μm脈沖激光的形成過程,并基于超連續(xù)譜光源獲得了中心波長為1957.8 nm的脈沖序列。
4.成功研制出光譜覆蓋2-2.5μm波段的高功率超連續(xù)譜光源。以SESAM被動鎖模的2μm皮秒脈沖激光為種子源,通過MOPA系統(tǒng)進行功率放大,在大模場面積摻銩光纖放大器中實現(xiàn)了平均功率為62.1 W的超連續(xù)譜。超連續(xù)譜的輸出光譜覆蓋1.9-2.7μm,如果忽略輸出光譜在
6、1960 nm附近的信號峰,對應(yīng)的10 dB光譜范圍約為1945-2579 nm。62.1 W的平均輸出功率為目前該波段超連續(xù)譜光源的最高功率,最后一級放大器中泵浦光到超連續(xù)譜輸出的光-光轉(zhuǎn)換效率為39.8%,平均功率和轉(zhuǎn)換效率均為國際上已公開報道的最高值。
5.研究了1550 nm納秒脈沖放大系統(tǒng)泵浦ZBLAN光纖的中紅外超連續(xù)譜產(chǎn)生,獲得了平均功率為304 mW,輸出光譜覆蓋1.5-3μm的超連續(xù)譜。為提高中紅外超連續(xù)譜的
7、輸出性能,在鉺/鐿共摻光纖放大器后連接了銩/鈥共摻光纖放大器和摻銩光纖放大器進一步提高2μm波段的脈沖功率,然后泵浦ZBLAN光纖獲得了高平坦度的中紅外超連續(xù)譜,這是國內(nèi)首次實現(xiàn)輸出光譜擴展到3μm以上的中紅外超連續(xù)譜光源的實驗研究。所獲得的超連續(xù)譜光源輸出光譜覆蓋1.9-4.3μm,平均輸出功率為185 mW。
6.基于2μm MOPA系統(tǒng),通過級聯(lián)超連續(xù)譜產(chǎn)生的方式,在單模ZBLAN光纖中先后實現(xiàn)了平均功率為1 W、7.1
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