基于2微米脉冲泵浦软玻璃光纤的中红外超连续谱研究

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中红外超连续谱(SC)因其在军事国防、气体检测、光谱学、生物医学、环境检测等领域广泛的应用前景而受到广泛研究。近年来,高功率、超宽带中红外SC成为研究重点。本文主要基于2μm高能锁模脉冲分别对ZBLAN和As2S3光纤中超连续谱的产生进行理论和实验研究。主要内容可以分为以下三个部分:(1)通过建立基于非线性薛定谔(GNLSE)方程的脉冲在非线性光纤中传输的理论模型,采用分步傅里叶算法求解GNLSE,数值模拟了超短脉冲在单模ZBLAN光纤中正常色散区和反常色散区传输时的光谱演化过程,详细分析了自相位调制(SPM)、受激拉曼散射(SRS)以及孤子分裂等非线性效应对超连续谱产生的影响。定量分析了脉冲峰值功率、脉冲宽度和光纤长度对能量红移和光谱平坦度的影响,从而优化泵浦和光纤参数,获得平坦的宽带超连续谱输出。(2)分别描述非线性偏振旋转(NPR)和单壁碳纳米管(SWCNT)真实可饱和吸收体的被动锁模原理,在此基础上创新性的采用两者混合被动锁模,搭建了输出两种不同脉宽的锁模脉冲光纤激光器,脉冲宽度分别为2 ps和15.41 ps。脉宽为2 ps的激光器输出脉冲中心波长为1979 nm,重频15.37 MHz,阈值泵浦功率约为3.93 W,输出平均功率为13.696 m W;脉宽为15.84 ps的激光器输出脉冲中心波长为1969.9 nm,重频9.07 MHz,阈值泵浦功率为3.76 W,输出平均功率为8.56 m W。其次,以上述两种锁模脉冲光纤激光器为种子源,搭建主振荡功率放大系统(MOPA),对脉冲进行放大。由于峰值功率的增加,放大后脉宽为2 ps的脉冲光谱在MOPA系统中预展宽,谱宽超过250 nm,输出功率达到613.3 m W,单脉冲能量放大了65倍;脉宽为15.84 ps的脉冲放大后,光谱谱宽也增加至175 nm,输出平均功率为308.3 m W,单脉冲能量放大37.3倍。(3)在上述实验的基础上,采用经过放大的不同脉冲分别泵浦ZBLAN光纤和As2S3光纤,实现高功率中红外超连续谱输出。放大2 ps锁模脉冲泵浦ZBLAN光纤,产生了光谱覆盖1950~2400 nm的中红外超连续谱,输出平均功率为149 m W;放大的脉宽为15.84 ps的锁模脉冲泵浦ZBLAN光纤,实现了光谱覆盖1940~2400nm以上的中红外超连续谱,输出平均功率为104.2 m W;采用单模As2S3光纤作为非线性光纤,当采用放大的2 ps脉冲泵浦时,产生了光谱范围为1950~2300 nm的中红外超连续谱,输出平均功率为182.8 m W;而当采用放大的脉宽为15.84 ps脉冲泵浦时,由于峰值功率不够高,光谱展宽范围很小,只有大约50 nm,输出平均功率为67.9 m W。
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