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《北京理工大学》 2017年
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特种长周期光栅光纤激光器件的研究

何滔  
【摘要】:光纤激光器与传统的固体激光器和气体激光器相比,其主要区别在于它以柔性可盘绕的光纤为增益介质,从而表现出了众多显著的优势,包括良好的散热性能、简便可调的激光指向、紧凑小巧的结构、高功率的激光输出等等。近几十年来,光纤激光器在很多科研领域及工业领域都取得了迅速的发展,例如激光切割、打孔及焊接,光纤激光通信,生物医学等。然而,早期的光纤激光器的技术方案需要结合特定的光学器件来实现自由空间光到光纤的耦合,例如块状玻璃光学器件(透镜),衍射光栅,和二进制相位玻片等等,从而导致额外的插入损耗及复杂的光路调整和维护等。全光纤型器件能够通过常规和简便的光纤熔接技术实现器件与激光谐振腔的连接与集成,将整个光路完全封闭在光纤波导中,无需复杂的光路维护,同时在一定程度上避免了额外的插入损耗,从而形成了一个更加稳定紧凑的全光纤激光器整体。因此,全光纤器件为激光产业的发展注入了新的活力,也将为激光技术谱写新的篇章。全光纤器件按照功能分类,主要有耦合器、波分复用器、环形器、隔离器、调制器等,以及与本论文研究内容最为相关的带阻(band-rejection)滤波器、色散补偿器和模式转换器。本论文中,我们使用长周期光纤光栅(LPG)技术来实现如前所述的三种功能。LPG与光纤布拉格光栅(FBG)的原理类似,都是通过周期性的改变光纤纤芯折射率,从而获得光纤导波模式的耦合及转换。它们的主要区别在于LPG的周期大小通常比FBG的周期要大两个量级,当一束基模光在LPG中传输时会转换为高阶模,并以透射光的形式输出(FBG为反射型,输入输出光皆为基模)。因此,在一些透射型光纤激光谐振腔中,LPG无需像FBG一样使用额外的光环形器来实现光路的正向传输,从而有效的降低了激光器系统内的插入损耗并简化了系统的结构。然而,迄今为止LPG在工业上的发展水平仍然没有FBG成熟,也不如FBG受到更多研究领域(例如光滤波技术和色散补偿技术)的青睐。这种差距有一部分原因是:早期的报道表明,高阶模不能在阶跃折射率变化的多模光纤中进行长距离的稳定(无模间串扰)传输,从而导致这种基于高阶模的LPG有较高的传输损耗或明显的模间干涉,不如基于基模的FBG使用方便。然而,研究证明,如果特殊设计折射率分布的光纤能够满足导波模式之间有足够的有效折射率差?n_(e f f)≥10~(-4)时,则模式之间不会因为光纤波导结构的微小瑕疵或光纤外径波动(OD fluctuation)而发生相互耦合和串扰,从而实现高阶模在阶跃折射率变化的多模光纤中的长距离稳定的传输。此外,在实际应用中值得注意的另一种特殊情况是,一个被剥离涂覆层的常规单模光纤也能被视作一个高度多模的光纤,并且其波导结构相对于特殊的大模场面积的多模光纤(受现阶段的工艺水平限制)有更加优秀的几何对称性,外径波动可以忽略不计,能够支持包层模的长距离稳定的传输。因此,高阶模于光纤中的长距离稳定传输为基于高阶模的透射型LPG的发展注入了活力,使LPG的低损耗,高消光比,以及低成本等优势得以充分体现;也为基于光纤高阶模的各种技术带来了无限的潜力,包括太比特量级(terabit-scale)的高带宽通信,原子加速和束缚,以及与本博士学位论文的研究工作最为相关的几个方面:光滤波技术,色散补偿技术和光纤激光模式转换技术。本论文的研究重心集中于:基于特种LPG技术设计与研制新型的超低插入损耗的全光纤器件,包括光纤激光带阻滤波器,超快光纤光学色散补偿器,全光纤轨道角动量模式(OAM)转换器等,以应用于不同种类和用途的光纤激光器和放大器。本论文的理论部分主要介绍了光纤中的高阶模的基本理论,分析了高阶模在光纤中的色散原理,讨论了超快光纤光学中色散的影响,介绍及讨论了LPG的基本原理,建立了一种基于传输矩阵法和一种基于直接积分法的特种LPG的数值仿真模型,用以模拟和分析特种LPG的特性,包括透射光谱,群速度/时延,以及群速度/时延色散等;基于Labview算法编写了深紫外点对点光刻系统的控制软件,通过软件实现了LPG写制过程中曝光时间、光栅周期、啁啾参量、变迹长度等参量的控制。本论文完成了四部分实验工作:设计和搭建了一个反向泵浦的双频激光光纤激光器(连续光),首次于光纤放大器中实现了频率可调谐的光载微波信号的放大,获得了10W的光载微波信号的输出,且光载微波的频率可调谐范围为125MHz~165MHz,其信噪比均高于29dB。首次提出和研制了一种基于高斯变迹LPG的单模光纤带阻长通滤波器,用以阻止光纤激光器系统中泵浦光或其他寄生振荡光的反向传输导致的上游光纤器件的损坏,并且具备在宽光谱范围内长通正向传输的信号光的功能。基于高斯变迹LPG的带阻长通滤波器具有≥99.9%的消光比,可以设计在任意目标波长,例如常用的泵浦光波长975nm或不常用的随机的寄生振荡波长993nm;其对长通信号光的插入损耗为≤0.5dB,长通光谱范围可覆盖掺镱光纤的增益光谱区间1020nm~1080nm。此外,应用了高斯变迹LPG的带阻长通滤波器,设计和搭建了一个波长可调谐、脉冲形状可控的单频光纤三级放大器,获得了46kW的峰值功率(脉宽0.65ns,重复频率20kHz)。实验验证了啁啾长周期光纤光栅(CLPG)的超快光学色散补偿特性。与现阶段的色散补偿技术相比(例如啁啾布拉格光纤光栅(FBG),光子晶体光纤(PCF)以及基于LP_(0,2)的色散补偿器件),CLPG色散补偿器件具有低损耗,透射性,非线性阈值高,以及结构紧凑等优势。首次通过实验验证了100fs级光脉冲在CLPG(基于LP_(0,13))中的稳定传输,并实现了对光脉冲的压缩和色散补偿。通过级联CLPG的方式实现了器件的基模光输入输出功能,首次研制了一种可以支持小于100fs光脉冲,补偿1m的光纤激光谐振腔长的色散补偿器件。此外,我们提出并设计了基于浮起的超高斯变迹CLPG的色散补偿器件,突破了CLPG的带宽与色散瓶颈,能够支持小于50fs的光脉冲,补偿≥10m的光纤激光谐振腔长。这种基于CLPG的色散补偿技术为紧凑型超快光纤激光器提供了非常广泛的应用前景。研制了一种基于声光LPG的、低损耗(0.7dB)、高模式转换效率(95%)的全光纤OAM转换器,搭建了一台OAM模式光纤激光光源,实现了210nm波长范围可调谐的可见光波段的轨道角动量(OAM)模式的产生。声光LPG被制作在一种用来稳定传输OAM模式的光学涡旋(vortex)光纤上。此外,210nm的可见光波长可调谐范围是据我们所知的目前最宽的波长调谐范围,几乎覆盖了85%的用于超显微成像[例如受激发射损耗荧光超显微成像(STED)]的染料的荧光波长范围,也为其他相关应用提供了一个稳定的可调谐OAM转换技术。综上所述,特种LPG技术在研制新型的超低插入损耗的全光纤器件方面具有非常广泛的应用前景,包括本论文中讨论的光纤带阻长通滤波技术,超快光学色散补偿技术和OAM模式转换技术等应用方向。特别是级联CLPG技术为超快光学色散补偿提供了超低损耗和高兼容性器件的解决方案,基于浮起超高斯变迹CLPG的高色散补偿器件的研制将会在超快光学色散补偿领域具有革命性的意义,能够取代现阶段常用的色散补偿器件,例如啁啾FBG,PCF以及LP_(0,2)的色散补偿器件等等。此基于特种LPG器件的新技术的探索和研发具有广阔的科研发展潜力和工业应用前景。
【学位授予单位】:北京理工大学
【学位级别】:博士
【学位授予年份】:2017
【分类号】:TN248

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