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面向气体探测应用的窄线宽光纤激光器研究

尹韬策  
【摘要】:窄线宽激光由于具有高光学相干性的特点,在激光雷达、光纤传感、气体探测及非线性频率转换等领域有着重要的应用价值。本论文以产生窄线宽、高功率、波长可调谐的近红外激光为目的,并以给近红外波段的气体探测提供可用的激光源为切入点展开,相继研究了基于稀土掺杂光纤和基于非线性原理的窄线宽光纤激光器,得到了一系列2 μm窄线宽光纤激光器和1.65μm窄线宽光纤激光器,弥补了这两个波段激光器现有的不足和空白。本论文首先阐述了2μm及1.65μm窄线宽激光在气体传感中的应用价值,并指出了现有相应激光器的不足之处,突出了在这两个波段开发新型窄线宽光纤激光器的必要性。随后简单介绍了激光的由来、光纤激光器的基本知识、包层泵浦和不同泵浦结构。接着,我们提出了基于光纤布拉格光栅和未泵浦掺铥光纤作饱和吸收体的高功率定波长单纵模掺铥光纤激光器,得到了功率大于400mW,线宽约为20kHz的1957nm单纵模激光输出。为增加激光器的波长调谐性,我们紧接着提出了基于法布里-珀罗腔原理可调谐滤波器的宽带可调谐单纵模掺铥光纤激光器,得到了波长可从1920nm调谐至2020 nm的单纵模激光输出,其线宽小于10 kHz。进一步,为使激光器能直接输出高功率的2 μm可调谐窄线宽激光,我们又提出了基于790 nm高功率半导体激光器泵浦的宽带可调谐单纵模掺铥光纤激光器,该激光器使用了双包层掺铥光纤作增益介质,并通过谐振腔的优化设计,实现了波长可从1920nm调谐至2040nm的单纵模激光输出,其线宽约为20kHz,不同波长的最高直出功率在0.4 W至1.07 W之间。然后,为得到线宽更窄的2μm窄线宽激光,我们提出了基于高掺锗光纤的2μm宽带可调谐单纵模布里渊光纤激光器,该激光器被上述提到的宽带可调谐单纵模掺铥光纤激光器泵浦,实现了波长可从1920nm调谐至2030nm的单纵模布里渊激光输出。利用布里渊环形腔的线宽压窄效应,布里渊激光的线宽被压窄到小于0.9 kHz。最后,为满足甲烷气体探测的需求,我们提出了基于高非线性光纤的1.65 μm窄线宽拉曼连续光纤激光器,通过1541 nm连续泵浦对1.65 μm窄线宽种子源进行拉曼放大,实现了波长为1653.7 nm的窄线宽拉曼连续激光输出,其输出功率高达726 mW,-20 dB线宽仅为0.18 nm。进一步,为了能测得甲烷气体的空间分布,我们紧接着提出了基于高掺锗光纤的1.65 μm可调谐窄线宽拉曼脉冲光纤激光器,通过1541 nm脉冲泵浦对1.65 μm窄线宽种子源同时进行拉曼放大和脉冲调制,实现了波长可从1652.0nm调谐至1654.0nm的窄线宽拉曼脉冲激光输出,其重复频率和脉冲宽度分别为100 kHz和31 ns,峰值功率高达30.85 W,线宽小于0.08 nm。


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