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2~4微米中红外脉冲光纤激光器研究

罗鸿禹  
【摘要】:2~4μm中红外激光在气体探测、生物医学、材料加工、红外对抗等诸多领域都具有极其重要的应用前景,受到各行业的广泛关注。目前,实现该波段激光的技术方案有多种,如:量级级联激光器、固体激光器、光学参量振荡器、光学参量产生及放大器、光纤激光器等等。相比其它几种激光器,光纤激光器具有自身的一些优势,如:优良的光束质量、良好的散热、高的转化效率、易于小型化集成化等等。本文选题围绕近几年国内外的研究热点“中红外光纤激光”,它在2012年被光子领域顶级专刊《Nature Photonics》进行了聚焦报道,被认为是未来中红外光子领域四个重要发展方向之一。近十几年,随着红外光纤拉制工艺和器件制作水平不断提升,2~4μm中红外光纤激光取得了快速发展。相比连续/准连续与超短脉冲,μs~ns量级的短脉冲兼具了高平均功率和高脉冲能量特点,在高效组织消融/切割、特殊材料加工、红外制导致盲等方面具有潜在的应用,但该波段短脉冲光纤激光的发展还存在诸多问题和空白亟待解决和探索。本文将围绕调Q和增益调制两种技术手段,在不同稀土离子掺杂氟化物光纤激光器中开展了2~4μm短脉冲激光的相关实验与理论研究。首先,本文介绍了研究2~4μm中红外激光的意义,总结了产生中红外光纤激光的几种技术方案,重点介绍了基于稀土离子掺杂氟化物光纤的2~4μm中红外激光激射方法,回顾了基于不同稀土离子掺杂氟化物光纤的2~4μm中红外短脉冲激光发展历程,凝练出了未来的发展方向。然后,针对激光手术对高性能~3μm单波长及~3μm和~2μm双波长短脉冲光纤激光源的实际需求,我们借助掺Ho~(3+)ZBLAN光纤在~3μm和~2μm波长的激光高效激射潜力,率先开展了增益调制相关实验研究。在1150 nm连续泵浦情况下,率先在实验上观察到~3μm和~2μm双波长自脉冲输出,最大输出功率分别为917.5mW和414.7 mW,仅受限于泵浦功率,实验分析表明~3μm自脉冲可能是由~5I_7能级对激光波长再吸收所导致的可饱和吸收效应所引起的,~2μm自脉冲则是由~3μm自脉冲导引级联能级增益调制所产生;在1150 nm脉冲泵浦情况下,率先在实验上观察到四种稳定的~3μm增益调制时域状态,研究了泵浦功率(能量)、泵浦脉宽、重复频率、激光波长对激光器特性的影响,实现了2.9~3μm增益调制脉冲波长调谐;在1150 nm连续和脉冲混合泵浦情况下,率先实现了~3μm和~2μm双波长增益调制脉冲输出,为未来双波长医用激光源的设计提供了新的方案。其次,针对脉冲掺Ho~(3+)ZBLAN光纤激光器波长难以在大于3μm的区域有效拓展的现状,我们采用具有更长和更宽辐射带的掺Dy~(3+)ZBLAN光纤作为增益介质,率先开展了短脉冲激光实验研究。利用硫化铅纳米颗粒作为可饱和吸收体,在1090 nm连续泵浦情况下,率先实现了波长可调谐的被动调Q掺Dy~(3+)ZBLAN光纤激光输出,可覆盖2.71~3.08μm整个区间,~370 nm的波长调谐范围也是所有稀土离子掺杂脉冲光纤激光器中的最宽水平,同时,该结果也率先在实验上证实了硫化铅材料在中红外波段脉冲产生潜力;在1090 nm脉冲泵浦情况下,率先实现了增益调制的掺Dy~(3+)ZBLAN光纤激光输出,脉冲波长可在2.8~3.1μm区间连续调谐。再者,对于双波长级联泵浦的~3.5μm掺Er~(3+)ZBLAN光纤激光器,一方面,由于适用于长波的可饱和吸收体损伤阈值低,被动调Q脉冲功率普遍较低,另一方面,由于激光上能级存在泵浦激发态吸收过程,高能短脉冲泵浦易导致激光猝灭,这使得增益调制脉冲功率难以大幅提升,针对上述问题,我们开展了相关实验研究。利用具有高损伤阈值的宽带Fe~(2+):ZnSe晶体作为可饱和吸收体,实现了3.4~3.7μm波长可调谐的被动调Q脉冲输出,最大输出功率583.7 mW仅受限于泵浦功率,相较之前的水平提高了近5倍,该结果率先在3.5μm波段实现了可调谐的稀土离子掺杂脉冲光纤激光输出;采用μs量级的高重频1950 nm脉冲作为激励源,有效抑制了ns量级脉冲泵浦时,因脉冲能量过高导致单个泵浦脉冲持续时间内激发态吸收引起的激光猝灭问题,实现了输出功率达1.04 W的~3.5μm增益调制脉冲输出,较之前的水平提升了近一个量级,该结果率先实现了波长大于3μm的瓦级稀土离子掺杂脉冲光纤激光输出;同时,提出了基于655 nm和1981 nm双波长平行泵浦的~3.5μm掺Er~(3+)ZBLAN光纤激光激射新方法,并在实验上证实了平行泵浦方式相比传统级联泵浦方式的高效激射优势,为未来脉冲激光高效产生提供了新的方法。最后,针对现有888 nm单波长泵浦掺Ho~(3+)InF_3光纤激光器中因~3.9μm激光振荡阈值高、转化效率低难以为脉冲产生提供理想平台的现状,我们开展了888 nm和962 nm双波长泵浦激光激射方法的理论探索。率先基于速率方程和功率传输方程建立了双波长泵浦的掺Ho~(3+)InF_3光纤激光器理论模型,通过数值求解,对比了单波长与双波长泵浦方式的激光输出特性,结果表明双波长泵浦可通过高效离子循环实现更加有效的激光激射,是实现~3.9μm高效振荡的理想方案,可为未来该波段脉冲激光的实现提供一个良好的平台。
【学位授予单位】:电子科技大学
【学位级别】:博士
【学位授予年份】:2019
【分类号】:TN248

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