2.0微米DBR单频脉冲光纤激光技术研究

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2.0μm单频光纤激光在相干探测、高分辨率光谱学、非线性频率转换、引力波探测和医疗卫生等领域中具有重要的使用价值和广泛的应用前景。相较于连续光,2.0μm单频脉冲激光具有更高的峰值功率和能量,且激光在时域上可以进行调节,即可以实现重复频率和脉冲宽度的灵活调谐,更能满足实际应用需求。然而,现阶段对于在超短谐振腔中有效实现输出稳定、峰值功率大、脉冲能量高的2.0μm单频脉冲的研究非常有限,尤其是限制了其在激光雷达等方面的进一步应用。本论文在介绍了国内外对于实现单频脉冲光纤激光的相关技术和研究进展后,结合本课题组DBR短直谐振腔的技术优势,对腔内被动调Q技术和增益开关技术进行了理论研究和分析,在此基础上开展了2.0μm DBR单频脉冲光纤激光实验研究,具体的研究内容和实验成果如下:(1)从铥离子的吸收光谱、发射光谱与能级结构出发,分别建立了腔内被动调Q和增益开关的光纤激光谐振腔理论模型,从理论上分析了脉冲动力学特征,探究了影响输出脉冲特性的各因素,并对比与分析了腔内被动调Q与增益开关的区别。(2)基于腔内被动调Q技术,使用半导体可饱和吸收镜(SESAM)代替DBR短直谐振腔中的高反布拉格光纤光栅,利用其可饱和吸收效应实现了平均功率22.2 m W、最大峰值功率0.67 W、最大脉冲能量42.8 n J、脉冲宽度64~221 ns、重复频率92~520k Hz可调的1950 nm单频脉冲光纤激光输出。实验中对比三个不同型号的SESAM,研究了SESAM的反射率、调制深度等参数对输出脉冲性能的影响规律。进一步地,使用保偏低反光纤光栅作为DBR短直谐振腔的耦合输出镜,利用其双折射效应实现了稳定的双波长单频脉冲光纤激光输出,其中心波长分别为1949.33 nm和1949.83 nm。(3)基于增益开关技术,使用经过电流直接调制的1610 nm半导体激光器(LD)作为泵浦脉冲种子源,经两级功率放大后同带泵浦DBR单频激光谐振腔,其中使用16mm掺铥锗酸盐光纤作为谐振腔增益介质。获得了重复频率1~500 k Hz可调、平均功率111.8 m W、最窄脉冲脉宽19 ns、最高峰值功率34.2 W的1950 nm单频脉冲光纤激光输出。进一步地,使用793 nm连续光和1610 nm脉冲光作为混合泵浦源,实现了更高斜率效率(12.7%)和单脉冲能量(251.6 n J)的单频脉冲光纤激光输出。
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