【摘要】：2μm波段光源既可以作為人眼安全的光源用于生物醫(yī)學、工業(yè)加工、環(huán)境監(jiān)測和非線性頻率轉換,又是激光雷達與激光通信等領域的重要光源,因而受到研究人員的廣泛關注。由于光纖光源具有熱管理方便、光束質量好、穩(wěn)定性高、封裝結構緊湊等優(yōu)勢,基于全光纖結構的2μm波段光源如今已經(jīng)成為該領域重要的研究方向。然而,2μm波段光纖光源具有固有量子虧損嚴重、光學器件發(fā)展尚不完全成熟等限制因素,使得如何產(chǎn)生高功率、高能量、高光束質量的2μm波段光纖光源成為該領域研究熱點和難點。從上述研究需求和應用需求出發(fā),本文對2μm波段高功率光纖光源進行了理論與實驗研究,主要結果如下:1、對高功率2μm單頻連續(xù)、單頻脈沖和寬譜脈沖摻銩光纖放大器(Tm-doped fiber amplifier:TDFA)系統(tǒng)進行了理論仿真研究。在基于速率方程和傳輸方程的TDFA傳統(tǒng)動力學模型中增加了受激布里淵散射(Stimulated Brillouin scattering:SBS)效應影響,建立了單頻連續(xù)TDFA動力學模型。將SBS過程加入納秒脈沖TDFA動力學模型之中,以并行雙向算法作為計算方法,建立了高效率、高精度的納秒脈沖TDFA理論模型。利用上述理論模型分別對單頻連續(xù)、單頻脈沖和寬譜脈沖的TDFA進行理論仿真,仿真結果與實驗結果為更高輸出功率指標的系統(tǒng)參數(shù)設計提供了參考。2、開展了基于全光纖結構的高功率2μm光纖光源實驗研究。首先利用基于主振蕩器功率放大器(Master oscillator power amplifier:MOPA)結構的系統(tǒng)對2μm單頻連續(xù)光纖激光種子進行功率放大,在國際上首次將全光纖結構的2μm單頻連續(xù)TDFA功率水平提高到100 W級,并進一步將輸出功率提高至310 W,是目前國際公開報道的最高值。同時,將理論模擬與實驗結果進行對比分析,得出如果泵浦功率和熱管理問題得到合理解決,該系統(tǒng)可以獲得kW級2μm單頻連續(xù)激光輸出。其次,將兩路連續(xù)的TDFA通過相干合成整合成一束激光,輸出功率108 W,是2μm波段相干合成的最高輸出功率。實驗中主動鎖相控制可以有效補償400 Hz以下的相位噪聲,驗證了利用基于TDFA相干合成系統(tǒng)獲得2μm波段高功率激光輸出的可行性。再次,利用全光纖結構的多級TDFA系統(tǒng)對m W級自發(fā)輻射放大(Amplified spontaneous emission:ASE)光纖光源進行逐級功率放大,獲得了平均輸出功率大于250 W的高功率窄帶可調諧ASE光纖光源輸出,為國際上首次公開報道的該功率水平2μm波段ASE光纖光源。此外,通過在線形腔和環(huán)形腔中分別進行主動相位調制,獲得了穩(wěn)定的2μm鎖模脈沖輸出以及弛豫振蕩調制脈沖輸出,可以為高功率脈沖TDFA提供穩(wěn)定的種子源。最后,利用MOPA結構的系統(tǒng)對2μm納秒脈沖種子激光進行逐級功率放大,分別實現(xiàn)了平均功率100 W級的準單頻納秒脈沖TDFA輸出、200 W級的窄線寬納秒脈沖TDFA輸出以及150-238 W的寬譜納秒脈沖TDFA輸出。上述輸出功率水平均為國際上公開報道的最高值。3、提出了高功率摻鐿拉曼光纖激光器(Yb-doped Raman fiber laser:YRFL)級聯(lián)泵浦獲得2μm光纖激光輸出的方案,并分別獲得了該泵浦方案下?lián)戒A光纖激光器(Tm-doped fiber laser:TDFL)和摻鈥光纖激光器(Ho-doepd fiber laser:HDFL)的最高輸出功率;利用TDFL同帶泵浦方案首次獲得了高功率的長波TDFL輸出。首先利用1173 nm的YRFL泵浦TDFL,TDFL的輸出功率達到了96 W,是國際上首次公開報道的通過YRFL泵浦獲得100 W級2μm波段TDFL輸出。然后利用1150nm的YRFL對HDFL進行泵浦,HDFL的輸出功率達到了42 W,為國際上公開報道的利用YRFL泵浦HDFL獲得2μm光纖激光輸出最高值。同時開展了利用YRFL對HDFL進行泵浦獲得2μm脈沖激光輸出的研究。通過控制系統(tǒng)參數(shù),最高平均輸出功率為16.1 W,是國際上公開報道被動調Q的HDFL最高輸出功率值。最后,利用1942 nm的TDFL對2153 nm的TDFL進行同帶泵浦,輸出功率達到了24 W。研究表明,對于長波TDFL,需要對增益光纖的溫度和長度進行適當控制以有效地抑制ASE和寄生振蕩,從而增加系統(tǒng)輸出功率。這是首次波長大于2.15μm的高功率TDFL實驗研究,其輸出功率也是該波段TDFL以及拉曼激光器/放大器最高值,且系統(tǒng)輸出具有優(yōu)良的光譜性能。上述實驗驗證了利用級聯(lián)泵浦方案獲得高功率2μm光纖激光輸出的重要潛力。4、探索了2μm光纖光源中非線性效應的應用,首次實現(xiàn)了基于SBS效應的2μm波段單頻脈沖、慢光以及多波長激光輸出。首先開展了基于SBS效應的2μm波段單頻脈沖輸出實驗研究,利用非線性偏振旋轉和主動相位控制技術實現(xiàn)了單頻脈沖布里淵摻銩光纖激光器(Brillouin-Thulium fiber laser:BTFL)輸出,是國際上首次基于SBS效應獲得的穩(wěn)定單頻脈沖BTFL輸出。然后,進行了基于SBS效應的2μm慢光實驗和理論研究。通過控制泵浦功率實現(xiàn)了連續(xù)線性的脈沖延遲輸出,利用三波耦合方程組進行仿真,模擬結果與實驗結果吻合較好,為國際上首次關于2μm慢光的實驗和理論研究。最后,開展了多波長BTFL的實驗研究。利用級聯(lián)SBS效應產(chǎn)生了5級斯托克斯光的輸出,相鄰波長間的波長差約為0.105 nm,是首次通過級聯(lián)SBS效應獲得的2μm波段多波長光纖激光輸出。
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【學位授予單位】：國防科學技術大學
【學位級別】：博士
【學位授予年份】：2015
【分類號】：TN253;TN248
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本文編號：2276695