本文關(guān)鍵詞：面向2μm波段大功率光纖激光系統(tǒng)的高質(zhì)量多波長及脈沖激光種子源研究　出處：《北京交通大學(xué)》2017年博士論文　論文類型：學(xué)位論文

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【摘要】：2 μm波段存在著性能優(yōu)良的大氣窗口,因而2μm波段空間光通信系統(tǒng)具有廣闊的應(yīng)用前景,在空間光通信網(wǎng)絡(luò)中,波分復(fù)用(wavelength division multiplexing,WDM)技術(shù)依然是未來發(fā)展的趨勢。在WDM系統(tǒng)中需要用到靈活選擇激光輸出波長和個數(shù)、波長間隔可調(diào)諧、高光束質(zhì)量和高穩(wěn)定性的多波長光纖激光器。同時,2 μm波段存在著OH-強(qiáng)烈的吸收窗口,高功率脈沖激光的熱效應(yīng)可使人體組織產(chǎn)生凝固或汽化效應(yīng),因此可作為激光手術(shù)刀應(yīng)用于人體組織的切除或止血�？臻g光通信網(wǎng)絡(luò)和激光手術(shù)刀對2μm波段激光的功率和光束質(zhì)量要求越來越高,而主控振蕩器功率放大器(master oscillator power amplifier,MOPA)技術(shù)可以在高功率激光輸出的情況下保證優(yōu)良的激光光束質(zhì)量。本論文的研究工作主要集中MOPA系統(tǒng)用到的高質(zhì)量種子源方面,針對WDM系統(tǒng)需要的激光器,設(shè)計了波長可調(diào)諧、波長間隔可調(diào)和單偏振(single polarization,SP)輸出的雙波長摻銩光纖激光器(thulium-doped fiber laser,TDFL),設(shè)計了波長可選擇的多波長TDFL;針對激光手術(shù)刀需要的激光器,設(shè)計了類噪聲(noise like,NL)脈沖和SP脈沖TDFL,分別對多波長和脈沖TDFL的實現(xiàn)方式和輸出特性進(jìn)行了詳細(xì)的研究和分析,主要研究內(nèi)容與創(chuàng)新點如下:(1)對 2 μm 波段均勻光纖光柵(uniform fiber Bragg grating,UFBG)、保偏光纖光柵(polarization maintaining fiber Bragg grating,PM-FBG)和保偏法布里—珀羅(polarizationmaintaining Fabry-Perot,PM-F-P)濾波器的濾波特性進(jìn)行理論仿真,首次理論分析了在外力作用下,UFBG和PM-FBG中心波長漂移的特性,2 μm波段UFBG的諧振波長與軸向應(yīng)力成正比,正比系數(shù)為0.15 pm/με,當(dāng)施加的軸向應(yīng)變?yōu)?500με時,PM-FBG的諧振波長可以漂移3.83 nm。(2)提出一種基于級聯(lián)UFBG的波長間隔可調(diào)的雙波長TDFL結(jié)構(gòu),利用非線性放大環(huán)形鏡(nonlinear amplifying loop mirror,NALM)抑制激光腔內(nèi)的模式競爭,獲得工作波長分別為1941.33 nm和1941.72 nm的雙波長激光輸出,兩個波長的光信噪比(optical signal-to-noise ratio,OSNR)均優(yōu)于56 dB。通過應(yīng)力調(diào)節(jié),可實現(xiàn)0～5.14 nm的雙波長激光間隔的調(diào)諧量;提出一種基于PM-FBG的可調(diào)諧雙波長TDFL結(jié)構(gòu),獲得工作波長分別為1941.40 nm和1942.21 nm的雙波長激光輸出,兩個波長的OSNR均大于48 dB。通過應(yīng)力調(diào)節(jié),可以實現(xiàn)最大6.93 nm的雙波長調(diào)諧量;提出一種基于PM-F-P濾波器的可切換雙波長TDFL結(jié)構(gòu),獲得工作波長分別為1941.82 nm和1942.21 nm的雙波長激光輸出,兩個波長的OSNR均大于51 dB�？梢詫崿F(xiàn)兩個偏振方向上的SP單波長激光輸出,激光輸出的偏振消光比(polarization extinction ratio,PER)均高于 33 dB。(3)提出一種基于非線性偏振旋轉(zhuǎn)(nonlinear polarization rotation,NPR)效應(yīng)和利奧(Lyot)濾波器的多波長TDFL結(jié)構(gòu),在10 dB帶寬范圍內(nèi)(1982 nm～1998 nm)該激光器可形成17個波長穩(wěn)定激射,且激射波長的OSNR達(dá)到35 dB。利用長度分別為5 m、4.22 m和2.06 m的保偏光纖制作Lyot濾波器,實現(xiàn)波長間隔分別為0.975 nm、1.16nm和2.38nm的多波長TDFL;提出一種基于NPR效應(yīng)和保偏薩格納克(polarization maintaining Sagnac,PM-Sagnac)環(huán)形鏡的多波長 TDFL結(jié)構(gòu),利用長度為150 m的高非線性光纖增強(qiáng)激光腔內(nèi)的NPR效應(yīng),在10 dB光譜帶寬范圍內(nèi)(1990nm～2007.5 nm),實現(xiàn)了 15個波長的穩(wěn)定激射,激射波長的OSNR可達(dá)到30 dB;提出一種基于全光纖型相位調(diào)制器和PM-Sagnac環(huán)形鏡的多波長TDFL結(jié)構(gòu),通過優(yōu)化相位調(diào)制器加載正弦信號頻率,在15 dB帶寬范圍內(nèi)(1982nm～1998nm)可實現(xiàn)10個波長同時激射,激光輸出的OSNR可達(dá)37dB。(4)提出一種基于NALM的被動鎖模TDFL結(jié)構(gòu),當(dāng)泵浦光功率為2.98 W時,NL脈沖的中心波長為1990.56 nm、自相關(guān)信號尖峰寬度為518 fs、脈沖能量為26.63 nJ;提出一種基于NPR的被動鎖模TDFL結(jié)構(gòu),通過調(diào)整激光腔內(nèi)單模光纖的長度,從而優(yōu)化鎖模TDFL的色散,可實現(xiàn)NL鎖模脈沖激光輸出,其中心波長為2003.20nm、自相關(guān)信號尖峰寬度為406fs、脈沖能量為12.342nJ;提出一種混合鎖模脈沖TDFL結(jié)構(gòu),當(dāng)泵浦光功率為3.52 W時,SPNL脈沖激光輸出的中心波長為2007.00 nm、自相關(guān)信號尖峰寬度為258 fs、脈沖能量為42.11 nJ。(5)提出一種基于PM-FBG和半導(dǎo)體可飽和吸收鏡的可切換SP雙波長脈沖TDFL結(jié)構(gòu)。雙波長脈沖激光的工作波長為1940.97 nm和1941.73 nm,脈沖激光輸出的OSNR為57.36 dB。SP單波長激光脈沖寬度分別為3.75 ps和3.73 ps。
[Abstract]:There are excellent atmospheric windows in 2 M band, so the 2 - M band space optical communication system has broad application prospects. In the space optical communication network, wavelength division multiplexing (WDM) technology is still the trend of future development. In WDM system, multi wavelength fiber laser with flexible wavelength selection, wavelength interval tunable, high beam quality and high stability is needed. At the same time, there is a strong absorption window of OH- in the 2? M band. The thermal effect of high power pulsed laser can cause coagulation or vaporization effect of human tissue, so it can be used as a laser scalpel in human tissue resection or hemostasis. Space optical communication network and laser scalpel to require 2 m wavelength laser power and beam quality is more and more high, and the master oscillator power amplifier (master oscillator power amplifier, MOPA) technology can ensure the excellent quality of laser beam in high power laser output case. The main work of this paper focus on high quality seed source MOPA system used for WDM, laser systems, tunable wavelength and wavelength spacing adjustable single polarization design (single polarization SP) output dual wavelength thulium doped fiber laser (thulium-doped fiber laser, TDFL), the design of multi wavelength TDFL wavelength can choose the laser scalpel; according to the need, the design of noise (noise like, NL) TDFL and SP pulses, respectively for multi wavelength and pulse TDFL implementation and output characteristics were studied and analyzed in detail. The main research contents and innovations are as follows: (1) to 2 M band of uniform fiber grating (uniform fiber Bragg grating, UFBG), polarization maintaining fiber grating (polarization maintaining fiber Bragg grating, PM-FBG) and Fabri Perot (polarizationmaintaining polarizationmaintaining - Fabry-Perot, PM-F- P) the filter characteristics of the filters is simulated for the first time, the theoretical analysis under the action of external force, UFBG and PM-FBG central wavelength drift characteristics of resonant wavelength and 2 m wavelength UFBG axial stress is proportional to the proportional coefficient of 0.15 pm/ Mu epsilon, when applied axial strain is 2500 Mu epsilon, resonant wavelength PM-FBG can drift 3.83 nm. (2) we propose a cascaded UFBG wavelength interval based on tunable dual wavelength TDFL structure, using the nonlinear amplifying loop mirror (nonlinear amplifying loop mirror, NALM) model of competitive inhibition in the laser cavity to obtain working wavelength dual wavelength laser output of 1941.33 nm and 1941.72 nm, the optical signal-to-noise ratio of two wavelengths (optical signal-to-noise ratio, OSNR) were less than 56 dB. By adjusting the stress, the tunable quantity of dual wavelength laser interval can be achieved from 0 to 5.14 nm. A tunable dual wavelength TDFL structure based on PM-FBG is proposed, and the dual wavelength laser output with 1941.40 nm and 1942.21 nm wavelength is obtained. The two wavelengths of OSNR are all larger than 48 dB. Through stress adjustment, the maximum 6.93 nm dual wavelength tuning can be achieved. A dual wavelength TDFL structure based on PM-F-P filter is proposed, and the dual wavelength laser output with 1941.82 nm and 1942.21 nm wavelength is obtained, and the OSNR of two wavelengths is greater than 51 dB. The SP single wavelength laser output in two polarization directions can be realized, and the polarization extinction ratio (polarization extinction ratio, PER) of the laser output is higher than 33 dB. (3) based on nonlinear polarization rotation (nonlinear polarization, rotation, NPR) and Leo (Lyot) multi wavelength filter in the TDFL structure, in the bandwidth of 10 dB (1982 nm ~ 1998 nm) of the laser can form 17 wavelength lasing, and the lasing wavelength of OSNR reached 35 dB. The length were 5 m, 4.22 m and 2.06 m polarization maintaining fiber production of Lyot filter, wavelength interval were multi wavelength TDFL 0.975 nm, 1.16nm and 2.38nm; put forward a NPR effect and polarization Sagner (polarization maintaining Sagnac, based on the G PM-Sagnac) multi wavelength TDFL loop mirror structure, the length of for the high nonlinear fiber enhancement of NPR laser cavity 150 m, at 10 dB spectral bandwidth range (1990nm ~ 2007.5 nm), to achieve a stable 15 wavelength lasing, the lasing wavelength of OSNR can reach 30 dB; this paper proposes a multi wavelength TDFL structure optical fiber phase modulator and PM-Sagnac loop mirror based on the optimization of phase modulator by loading sinusoidal signal frequency, 15 dB bandwidth range (1982nm ~ 1998nm) can achieve 10 wavelength lasing at the same time, the laser output of OSNR can reach 37dB. (4) proposed a passive mode-locked TDFL structure based on NALM, when the pump power is 2.98 W, the central wavelength of NL pulse is 1990.56 nm, the autocorrelation signal peak width is 518 FS, pulse energy of 26.63 nJ; proposed a passive mode-locked TDFL structure based on NPR, by adjusting the laser cavity a length of single-mode fiber, so as to optimize the dispersion mode locked TDFL, can achieve NL mode-locked laser output, the center wavelength is 2003.20nm, autocorrelation signal peak width of 406fs, pulse energy of 12.342nJ; this paper proposes a hybrid mode-locked TDFL structure, when the pump power is 3.52 W, the central wavelength of SPNL pulse the laser output is 2007 nm, the autocorrelation signal peak width is 258 FS, pulse energy of 42.11 nJ. (5) a switched SP dual wavelength pulse TDFL structure based on PM-FBG and semiconductor saturable absorbable mirror is proposed. The operating wavelengths of the dual wavelength pulse laser are 1940.97 nm and 1941.73 nm, and the output OSNR of the pulse laser is 57.36 dB. The width of SP single wavelength laser pulses is 3.75 PS and 3.73 PS, respectively.
【學(xué)位授予單位】：北京交通大學(xué)
【學(xué)位級別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2017
【分類號】：TN248

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本文編號：1338245