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掺Tm~(3+)硅基光纤布拉格光栅的飞秒激光刻写技术研究

宋成伟  
【摘要】: 掺Tm3+光纤激光器在工业、医疗、科技及军事领域具有重要应用前景。光纤布拉格光栅(FBG)是构成光纤激光器的重要元件。基于FBG的光纤激光器具有窄线宽输出、结构简单、性能稳定、易于维护等优点。但掺Tm3+光纤不具备光敏性,利用紫外脉冲激光很难在其中刻写FBG,即使采用增敏技术提高其光敏性,获得的FBG的折射率调制量也很小,尚不能满足应用要求,阻碍了掺Tm3+光纤激光器全光纤化的发展。近年来,利用近红外超短脉冲激光在非光敏光纤上刻写FBG,引起学术界和工程界的广泛关注。与利用紫外脉冲激光在光敏光纤上刻写FBG的传统技术相比,该方法具有更大的应用价值。本文对飞秒脉冲激光刻写FBG技术及相关理论进行了系统地研究。 以光纤光栅的基本方程耦合模理论为基础,分析了正弦折射率调制型和矩形折射率调制型单模均匀FBG的光谱特性,得到了FBG结构参数对其性能的影响规律;模拟了这两种折射率调制形式的二阶FBG的反射谱,得出了矩形折射率调制FBG具有高阶光谱响应的结论,为实验上刻写高阶FBG提供了理论依据。从相位匹配的角度计算了多模FBG可能的谐振波长,并通过解两个模式的耦合模方程予以证实;同时,分析了激发条件对多模FBG光谱的影响。为弥补耦合模理论的不足,引入了两种可以用来分析非均匀FBG特性的数值方法,获得了高斯趾切折射率调制型FBG的反射光谱。 利用Z-scan技术,对800nm飞秒脉冲激光与硅基光纤包层、掺Yb3+纤芯、掺Tm3+纤芯的相互作用进行了理论分析和实验研究。利用归一化透过率公式对实验数据进行拟合,获得了800nm飞秒激光与上述介质的相互作用是五光子非线性吸收的结论,相应的非线性吸收系数为10-47cm7/W4、10-47cm7/W4和10-50cm7/W4。对这三种介质进行了非线性透射实验研究,获得硅基光纤包层和掺Yb3+纤芯的Type I型损伤阈值分别为14.5TW/cm2和13TW/cm2;对于掺Tm3+纤芯,由于Tm3+对800nm激光的共振吸收,未能准确获取相应的阈值。 对于飞秒激光相位掩模法刻写系统的设计,主要是以光栅方程为基础,结合飞秒激光的宽线宽特性,分析了相位掩模参数对刻写用干涉条纹的影响,得到了合理设计相位掩模的原则,并计算出了光纤与相位掩模的最佳距离。利用高斯光束光学和傍轴近似分析了光纤的圆柱面内包层对聚焦的影响,从理论上计算了相位掩模法所用聚焦透镜的焦距。 对于飞秒激光逐点法刻写系统的研究,主要解决了两个技术问题。一是对光纤在光学显微镜下的成像进行了实验研究,建立了基于CCD摄像机的成像系统,解决了逐点法刻写FBG的对准问题;二是分析了消除柱透镜效应的方法,提出了针对本文实验所用光纤的消除柱透镜效应的方法。 针对相位掩模法存在的局限性,对利用透镜成像技术改变相位掩模周期的方法进行了理论分析,获得了FBG波长随调谐参数变化的趋势,证明了这种技术可在一定范围内实现FBG波长的连续可调。在实验上,通过调整相位掩模与光纤,以及相位掩模与调谐透镜的距离,实现了基于同一块相位掩模板在较大的波长范围内(1882.5~1970.8nm)制作出了四种不同波长的FBG,并实现了激光输出。 通过对线性腔双包层掺Tm3+光纤激光器输出特性的分析,获得了其输出功率与腔镜反射率的关系。利用该关系及LD泵浦双包层光纤激光器输出激光的波长和功率,对实验获得的FBG的反射波长和反射率进行评估:静态刻写的单模掺Tm3+光纤中FBG的反射率大于93.7%,多模掺Tm3+光纤中FBG的反射率约为5.3%。应用相位掩模扫描刻写技术在正八边形双包层掺Tm3+光纤中写入了12mm长的FBG,其在1960nm处的峰值反射率约为89%,解决了多模FBG反射率低的问题。对逐点法刻写失败的原因进行了分析,并提出了解决办法。


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