1.5μm全光纤短脉冲激光性能研究

【摘要】：随着大容量高速光纤通信时分复用和波分复用技术的发展,光通讯1.5 μm波段短脉冲激光器受到人们的极大关注。相比于其它类型激光器,光纤激光器具有耦合效率高、光束质量好、结构简单、易于操作等诸多特点。此外,近年来二维纳米材料以成本低,损耗小,制备简单、非线性系数大及吸收范围宽等优异的光调制特性使其在脉冲激光领域得到广泛的应用。本论文结合被动调制技术、以掺铒光纤激光器为研究对象,探索光纤1.5 μm短脉冲激光输出特性。通过腔内参数设计及饱和吸收材料的选择,深入分析不同输出脉冲类型的特点及性质。具体内容如下:1、利用二维黑磷材料实现高功率调Q光纤激光输出。提出通过有机材料(聚乙烯醇PVA)与黑磷(BP)的有效复合,避免黑磷与空气中水分的接触,解决了黑磷易氧化不稳定的问题。实验测量了 BP-PVA薄膜饱和吸收体的调制深度和饱和强度分别为8.3%和7.9MW/cm2。将制备的BP-PVA薄膜通过法兰盘放置在腔内,成功实现高功率、高稳定调Q光纤激光运转,最大输出功率为12.03 mW。随着泵浦功率从200增加到400mW,重复频率从64.51增加到82.64kHz,而对应的脉宽从3.39降低到1.36μs。值得注意的是,仅仅通过调节泵浦功率,就能获得2.5 nm范围的可调谐光谱,光谱中心波长从1567.8 nm蓝移至1565.3 nm。实验证明由于高非线性系数,黑磷在激光腔内不仅仅作为Q开关,还相当于带宽较小的滤波器。2、利用激光诱导方法制备黑磷饱和吸收体,实现了全光纤三波长脉冲激光输出。通过Z扫描技术分析黑磷的饱和吸收特性,测得其调制深度和饱和通量分别为12.4%和2.16 μJ/cm2。通过合理设计腔型,利用长腔成功实现了多波长超快激光,总腔长123 m,输出波长为1557.2,1557.7和1558.2 nm,脉宽为9.41 ps。并通过自相关仪观察到拍频现象,拍频间隔为16.37 ps,与波长频率间隔一致。实验证明黑磷纳米材料不仅具有饱和吸收特性,而且其较强的非线性特性有助于多波长激光的产生和稳定。3、基于新型二维过渡金属硫化物-二硫化铼(ReS2)实现光纤中明暗脉冲对锁模激光。首先对材料的饱和吸收性能进行表征,其调制深度和饱和通量分别为6.1%和32.2 μJ/cm2。将ReS2饱和吸收体通过激光诱导法插入光纤被动锁模腔,成功实现多波长明暗脉冲对输出,输出波长为1573.5,1591.1和1592.6 nm。通过可调谐滤波器和腔外的偏振控制器的调节,可以将不同波段的亮脉冲和暗脉冲成功分离出来。两种脉冲形状、振幅以及波长中心均不相同。实验证明了 ReS2的饱和吸收能力有助于亮脉冲和暗脉冲的产生,而亮脉冲和暗脉冲沿光纤传播过程中引起的交叉相位调制是支持明暗脉冲对共存的主要原因。4、利用非线性偏振旋转技术(NPR)实现传统孤子脉冲输出。脉冲宽度为飞秒量级,输出光谱具有孤子所特有的光谱边带,锁模激光器具有良好的可重复性和长时稳定性。通过分布傅里叶算法数值求解耦合金兹伯格-朗道方程,理论模拟孤子的动力学演变过程。并理论计算脉冲光谱随泵浦功率的变化规律,得到光谱的边带随泵浦功率的增加而变强,且更接近光谱中心峰值。此外,也对传统孤子的脉冲分裂特性导致多脉冲的产生进行理论分析。5、对微纳光纤(microfiber)的光调制性能进行实验分析,并插入光纤激光腔内成功获得超快激光。通过火焰刷技术(flame-brushing)制备芯径分别为25,38,55,65和78 μm的微纳光纤,并对其结构、形貌进行表征。通过I-Scan技术分析微纳光纤的光调制性能(如调制深度,饱和强度等)随着其束腰芯径的变化。结果证明非线性损耗和调制深度都随着芯径的减小而增大。理论分析了微纳光纤芯径处的模场特性,推断倏逝场效应有利于拉锥光纤作为饱和吸收体的应用。利用芯径25 μm的微纳光纤,成功实现了全光纤锁模及三阶谐波锁模激光,拓展了微纳光纤在超快光学中的应用。