【摘要】：2-5?m波段全光纖超連續(xù)光源在紅外制導(dǎo)、光電對(duì)抗、大氣通信、醫(yī)療、污染監(jiān)測、化學(xué)氣體及危險(xiǎn)品監(jiān)測等領(lǐng)域有著重要應(yīng)用。目前實(shí)現(xiàn)高平均功率(10 W)2-5?m波段超連續(xù)光源所用的非線性介質(zhì)是一種重金屬氟化物玻璃光纖——氟化鋯基玻璃光纖,其組分為53Zr F_4-20BaF_2-4La F_3-3AlF_3-20NaF(簡稱ZBLAN)。然而,ZBLAN玻璃光纖的化學(xué)穩(wěn)定性和熱穩(wěn)定性都較差,在空氣中使用時(shí)容易發(fā)生潮解,且其玻璃轉(zhuǎn)變溫度僅為265℃,這在一定程度上影響了ZBLAN玻璃光纖在實(shí)用化高功率中紅外光源研制中的應(yīng)用。因此,為了進(jìn)一步提高中紅外超連續(xù)光源的性能和研制實(shí)用化高功率中紅外超連續(xù)光源,探索具有高化學(xué)和熱穩(wěn)定性的新型中紅外玻璃光纖是很有必要的。在攻讀博士期間,作者圍繞著新型中紅外玻璃材料、中紅外玻璃光纖設(shè)計(jì)與制備、高功率中紅外超連續(xù)光源研制等方面進(jìn)行了系統(tǒng)的研究,取得了以下研究結(jié)果:(1)通過優(yōu)化玻璃組分探索出了具有高化學(xué)穩(wěn)定性和熱穩(wěn)定性的氟碲酸鹽玻璃體系,其組分為TeO_2-BaF_2-Y_2O_3(TBY),該類玻璃具有寬的光學(xué)透過窗口(0.4-5.5?m)、好的抗潮解能力、高的玻璃轉(zhuǎn)變溫度(?425 ~oC);并通過優(yōu)化拉制工藝制備出一系列氟碲酸鹽玻璃光纖。(2)設(shè)計(jì)并制備了一種高數(shù)值孔徑的氟碲酸鹽玻璃光纖,其纖芯為TBY玻璃,包層為AlF_3 BaF_2 CaF_2 YF_3 SrF_2 MgF_2 TeO_2(ABCYSMT)玻璃,在400-6000 nm波長范圍內(nèi)的數(shù)值孔徑都大于1.1;利用60 cm長的纖芯直徑為7μm的高數(shù)值孔徑氟碲酸鹽玻璃光纖作為非線性介質(zhì),使用波長為1980 nm的超短脈沖光纖激光器作為泵浦源,研制出平均功率為10.4 W、光譜范圍覆蓋947-3934nm的超連續(xù)光源,其光—光轉(zhuǎn)換效率為~65%。上述結(jié)果表明,氟碲酸鹽玻璃光纖可用于研制高平均功率中紅外波段超連續(xù)光源。(3)進(jìn)一步對(duì)高數(shù)值孔徑氟碲酸鹽玻璃光纖進(jìn)行拉錐處理,制備出了色散漸變的高數(shù)值孔徑氟碲酸鹽玻璃光纖,光纖初始芯徑為7μm,最細(xì)芯徑為1.4μm,光纖拉錐區(qū)長度為~1.7 cm,未拉錐區(qū)長度為~2 cm;利用該色散漸變光纖作為非線性介質(zhì),使用2μm飛秒光纖激光器作為泵浦源,實(shí)現(xiàn)了光譜范圍覆蓋600-5200 nm的超連續(xù)相干光源,其最大輸出功率為380 mW,光—光轉(zhuǎn)換效率~30%。以上結(jié)果表明,通過控制氟碲酸鹽玻璃光纖的色散和損耗可以實(shí)現(xiàn)寬波段的超連續(xù)光源。(4)設(shè)計(jì)并制備出雙折射氟碲酸鹽微結(jié)構(gòu)光纖,其雙折射系數(shù)為3.5×10~(-2),光纖快軸和慢軸的零色散波長分別為1000、2224 nm和897、2042 nm;利用其作為非線性介質(zhì),使用波長為1560 nm的飛秒脈沖激光選擇性激發(fā)其快軸和慢軸,分別獲得了兩組可調(diào)諧中紅外色散波,其調(diào)諧范圍分別為2680 nm~2725 nm和2260 nm~2400 nm;進(jìn)一步通過理論模擬驗(yàn)證了利用雙折射氟碲酸鹽光纖作為非線性介質(zhì)獲得寬調(diào)諧(2-5?m)中紅外色散波的可行性。(5)設(shè)計(jì)并制備出Tm~(3+)摻雜氟碲酸鹽微結(jié)構(gòu)光纖,利用其作為非線性介質(zhì)和增益介質(zhì),使用波長為1560 nm的飛秒脈沖激光器和波長1570 nm的連續(xù)光纖激光器作為泵浦源,研究了增益對(duì)孤子自頻移效應(yīng)的影響,發(fā)現(xiàn)當(dāng)紅移的光孤子移動(dòng)到增益帶寬內(nèi)時(shí),光孤子的能量被顯著放大,且其在頻域的紅移速度顯著增加,脈沖寬度變窄。上述結(jié)果表明,利用增益可實(shí)現(xiàn)對(duì)孤子自頻移的調(diào)控,并可獲得寬調(diào)諧、窄脈寬的拉曼孤子激光。(6)設(shè)計(jì)并制備了一種具有兩個(gè)零色散波長的氟碲酸鹽微結(jié)構(gòu)光纖,利用該光纖作為非線性介質(zhì),使用波長為1560 nm的飛秒脈沖激光器作為泵浦源,研究了孤子自頻移抵消效應(yīng)對(duì)三次諧波產(chǎn)生的影響,發(fā)現(xiàn)當(dāng)孤子自頻移抵消效應(yīng)發(fā)生時(shí),光孤子和三次諧波的相互作用長度顯著增加,從而使得三次諧波產(chǎn)生效率顯著增大。
【圖文】：

纖需要滿足以下幾個(gè)條件：（1）優(yōu)良的中紅外區(qū)域光學(xué)透過性能，（2）較高的傷閾值，（3）高的非線性折射率，（4）成熟的制備工藝等。在所有種類的光纖里石英光纖以其制備工藝最成熟、傳輸損耗極低（~0.2 dB/km @1560 nm）、機(jī)械度高、對(duì)環(huán)境的忍耐度高、與其他器件集成度好等優(yōu)點(diǎn)最先引起研究者的關(guān)注[30然而由于石英光纖的聲子能量較高（1100cm-1），多聲子吸收造成石英玻璃的料損耗在中紅外波段非常大。圖 1.1 為目前應(yīng)用較廣泛的幾類中紅外光纖的基材料損耗曲線，可見石英玻璃的材料損耗在波長>2.2 μm 的時(shí)候急劇增大。因此國際上使用石英光纖作為非線性介質(zhì)獲得的超連續(xù)光譜通常處于可見波段~2.7 μm 波段。正如圖 1.1 所示，適合研制 2-5 μm 中紅外波段超連續(xù)光源的光主要為軟玻璃光纖，如：ZBLAN，InF3基，碲酸鹽和硫系（硫化物、硒化物碲化物）玻璃光纖。下面，本文將分別介紹近十幾年來，基于以上中紅外玻璃纖實(shí)現(xiàn)的有代表性的中紅外超連續(xù)光源的研究結(jié)果。

圖 1.2 ZBLAN 光纖中產(chǎn)生的不同輸出功率下的超連續(xù)光譜。9 年，G. S. Qin 等發(fā)現(xiàn)限制 ZBLAN 光纖中超連續(xù)譜繼續(xù)向長 ZBLAN 光纖的材料損耗和受限損耗在 4 μm 后將急劇增大，慮光纖的損耗、色散以及光纖長度等眾多因素，，可以在 ZBLA更寬的超連續(xù)譜。因此，他們采用高峰值功率的 1450 nm 飛秒的 ZBLAN 光纖，獲得了光譜覆蓋 0.35-6.28 μm 的超寬帶超連
【學(xué)位授予單位】：吉林大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2018
【分類號(hào)】：TN253

【參考文獻(xiàn)】

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1 徐大偉;;美國激光武器的發(fā)展與分析[J];激光與紅外;2008年12期

2 魏志義;;2005年諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)與光學(xué)頻率梳[J];物理;2006年03期

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1 靳愛軍;超連續(xù)譜光源相干特性研究[D];國防科學(xué)技術(shù)大學(xué);2011年

本文編號(hào)：2625661