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1.5μm波段空芯光纤气体Raman激光研究

陈育斌  
【摘要】:1.5μm激光光源具有人眼安全、位于大气窗口等特点,在激光通信、激光雷达、遥感探测等领域有重要的应用价值。常规的1.5μm掺铒光纤激光器受限于热效应和非线性效应,在功率提升和窄线宽输出方面存在瓶颈。基于空芯光纤的气体受激拉曼散射为此提供了一种全新的解决方案。针对此,本文开展了1.5μm空芯光纤气体拉曼激光的理论与实验研究,主要内容如下:1、开展了空芯光纤光传导机制的理论研究,介绍了空芯光纤的模式理论、Marcatili-Schmeltzer理论、模式耦合理论以及ARROW模型,分析了各理论模型的适用范围以及局限性。利用有限元法对实验中的冰淇淋空芯光纤进行了数值仿真,分析了空芯光纤的模式特性,并计算了光纤的基模传输损耗谱。采用截断法测量了冰淇淋型空芯光纤的传输损耗谱,实验结果、数值计算结果和ARROW模型预测的传输带位置一致。2、利用电磁场理论分析了空芯光纤中气体受激拉曼散射过程,给出了稳态条件的拉曼增益系数以及瞬态效应中的拉曼增益压缩系数。综合考虑实验所用冰淇淋型空芯光纤和烷烃类气体受激拉曼散射的特点,借鉴激光器速率方程思想,建立了描述空芯光纤中烷烃类气体受激拉曼散射过程的耦合波方程。3、首次开展了高峰值功率、窄线宽的单程结构1.5μm光纤气体拉曼激光实验研究。详细测量了拉曼激光光谱、线宽、脉冲形状以及输出光斑等特性,在一段6m长充有2 bar乙烷气体的空芯光纤中,获得了最高400 kW峰值功率的1553.7 nm拉曼激光输出,拉曼转换效率为38%,相应的量子效率为61.5%,激光线宽大约6.3 GHz。4、首次开展了高转换效率的1.5μm空芯光纤甲烷气体拉曼激光放大器研究。通过双色镜将连续波单频可调谐的1.5μm种子激光和1064 nm脉冲泵浦激光同时耦合进充有甲烷气体的空芯光纤中,构成了拉曼激光放大器结构。实验研究了种子激光对激光放大器输出特性的影响,种子激光的注入可以降低拉曼阈值,同时促进残余泵浦功率向Stokes拉曼转换,提高拉曼转换效率,而且种子的注入还可以对Stokes线宽起到压窄的作用。实验在2 m长充有2 bar甲烷气体的空芯光纤中,获得了66.4%的最高拉曼转换效率,对应的量子效率为96.3%,接近量子极限。
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