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基于非线性效应的1550nm及2μm光纤激光器研究

胡凯  
【摘要】:光纤激光器是现代光子学研究中的一项重要技术,在社会生产生活的各个方面有着广泛的应用。得益于光纤通信网络、光纤传感、光学微波产生等应用的大量需求,1550nm通信波段的光纤激光器技术日趋成熟。中红外2 μm波段作为“人眼安全”的波段,凭借着在包括气体传感、新一代光通讯网络、医疗手术、气象监测、风速测量、新波长产生、军事科技、材料加工等领域的丰富应用亦引起了人们的极大兴趣,2μm波段的光纤激光器技术也逐渐成为研究的热点之一。针对现有及下一代光纤通信网络、气体传感系统等应用对光源的需求,本文主要研究了包括1550 nm波段的多波长光纤光学参量振荡器、2μm波段的掺铥光纤激光器、2μm波段基于硫化物光纤的布里渊激光器和2μm波段的多波长混合增益布里渊掺铥光纤激光器在内的激光器技术。首先,本论文简要介绍了激光器技术以及光纤技术的发展历史和研究状况。阐述了1550 nm波段多波长光纤激光器的研究进展以及多波长光纤光学参量振荡器在实际应用中的性能优势。介绍了2 gm波段的丰富应用场景,例举了2 gm激光光源的实现手段和发展进程,引出了发展2μm光纤激光器技术的必要性。接着,本论文从多波长光纤激光器在波分复用光通讯系统中的应用入手,介绍了光纤光学参量放大器和光纤光学参量振荡器的主要原理。分析了泵浦设置对光纤光学参量放大器的性能影响,并介绍了三种常见的光学梳状滤波器。最后,总结了多波长光纤光学参量振荡器的研究现状,并在此基础上,针对应用场景对输出光波长间隔的不同需求,创造性地提出了基于Sagnac干涉仪的多波长光纤光学参量振荡器、基于Lyot-Sagnac干涉仪的波长间隔可切换多波长光纤光学参量振荡器和基于Mach-Zehnder干涉仪的波长间隔可调谐多波长光纤光学参量振荡器。然后,本论文介绍了2μm波段激光光源在气体探测、医学手术、新波段光学研究等领域的应用潜力及其重要性。例举了包括稀土离子掺杂、半导体激光器等实现2μm波段激光输出的几种主要方法,总结了铥离子掺杂光纤方案相对于其它方案的优点。首次提出了一个具有波长调谐功能的2 gm掺铥光纤激光器,利用法布里珀罗滤波器作为波长选择器件,通过改变加载在滤波器上的电信号改变透过峰的波长位置,获得了70 nm的波长调谐带宽;并通过在滤波器上加载三角波信号,快速改变其透射峰位置,演示了激光器的快速扫频功能。再然后,本论文简述了气体传感、大气探测在当前人类社会生活中的实用价值;阐述了2μm波段在这些领域内相比1550 nm波段的优势所在,并指出了窄线宽低闽值光源对于提升相关系统性能的重要意义,提出了采用受激布里渊效应的思路。接着,介绍了受激布里渊效应的定义、原理和关键参数;以及前人对布里渊光纤激光器的研究工作进展,分析了在2μm波段实现布里渊光纤激光器的几个难点和挑战。首次提出了一种基于As38Se62硫化物材料微结构光纤的2μm波段低阈值布里渊光纤激光器,获得了52 mW的低阈值,在增益介质尺寸和阈值功率等方面的表现均极大地优于基于传统石英单模光纤的布里渊激光器。最后,本论文以气体传感系统以及和下一代波分复用光通讯网络领域的研究进展为切入点,指出了2μm波段多波长光纤激光器在这些应用中的关键作用和重要意义。接着,介绍了前人在2 μm波段多波长光纤激光器上的相关工作,通过对多种现有解决方案的分析和比较,提出了利用受激布里渊效应实现2μm波段多波长的思路。最后,分析了前人对2μm多波长布里渊激光器的研究工作,并在此基础上加以改进,首次提出并实验演示了一个波长间隔可切换的2μm波段多波长混合增益布里渊掺铥光纤激光器,实现了输出激光波长间隔在单倍和双倍布里渊频移间的切换。同时,激光器在两种输出模式下均表现出了良好的功率稳定性和波长调谐性。本文以实验研究为主、理论研究为辅,针对1550 nm和2μm波段的具体应用场景,提出了多种新型光纤激光器解决方案,并进行了大量的实验论证,对于推进1550 nm和2μm波段光纤激光器及其应用技术的发展具有重要意义。


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