高压强下2μm波段CO_(2)宽光谱吸收测量与分析

利用宽带可调谐掺铥光纤激光器开展了覆盖152 kPa至932 kPa的2µm波段CO_(2)宽光谱吸收测量实验,通过将实测谱与基于HITRAN数据库计算的理论谱进行峰值匹配完成了波长定标,然后将基线表示为三次多项式并结合理论光谱数据,对原始信号做基线-吸收线整体拟合得到了与实验参数设置相吻合的压强、温度和CO_(2)浓度信息。其中压强计算误差低于5%,温度计算误差低于1%,实测谱与理论谱的整体残差在0.04以内。另外对比了窄带吸收谱与宽带吸收谱的吸收面积反演结果,验证了宽光谱吸收技术在高压测量环境下的可靠性,在温度、气体摩尔分数近似不变的情况下,宽带吸收谱反演的吸收面积与压强在测量范围内保持了良好的线性关系。

2μm波段Ge-on-SOI光电探测器的TPA探测

【目的】随着光通信技术的快速发展,工作在传统通信窗口的光通信系统未来可能会面临通信“波段紧缩”的状况。而在2μm波段,空芯光子带隙光纤的损耗可以低至0.2 dB/km,掺铥光纤放大器(型号为CTFA)在2μm波段的增益峰值可达30 dB,这些高性能器件的出现使得2μm波段有缓解通信“波段紧缩”的潜力,同时也对制作难度小且利于大规模生产的2μm波段硅基光电探测器提出了需求。硅基光电探测器的工作波段扩展主要方案有采用具有可调谐带隙的Ⅲ-Ⅴ族材料、引入低带隙宽度材料作为吸收区和利用吸收区材料在2μm波段新的光吸收机制等。而Ge具有非常高的双光子吸收(TPA)系数(1225 GW/cm@2μm),并且Ge-on-绝缘体上硅(SOI)光电探测器结构兼容标准硅光器件制作工艺,具有制作难度较低和成本较低的优势,是2μm光电探测器的一种较优方案。文章的研究目的是验证Ge-on-SOI光电探测器利用TPA这一特殊光吸收机制实现2μm波段光电探测的可行性。【方法】文章基于Ge材料在2μm波段较高的TPA效应产生电流的物理机制实现了2μm波段的光电探测。理论上,对Ge材料通过TPA效应产生的光生电流大小进行了分析与讨论;在实验上,基于片上硅基器件有源测试系统对商用波导型Ge-on-SOI光电探测器的光输入端(光栅耦合器)施加经过掺铥光纤放大器放大后的高功率2μm波段输入光,并调整光纤与光栅的对准以及输入光偏振态以尽可能减少输入光传输到Ge吸收层的损耗,最终通过探针获取探测器的TPA光生电流。【结果】在功率为21.9 dBm的2μm光信号输入下,该商用波导型Ge-on-SOI光电探测器在2μm波段产生了高至651 nA的TPA净光生电流,并近似获得了>10 mA/W的响应度。【结论】文章验证了通过Ge材料TPA效应实现2μm波段光电探测器的科学可行性,为基于TPA的2μm波段Ge-on-SOI光电探测器的设计提供了实验支撑。

传输2μm波段激光的多芯空芯光子带隙光纤的研究

2μm波段属于人眼波段,并且具有大气通信窗口,对该波段的研究是未来光通信系统亟待开发的领域。软玻璃材料相比于石英玻璃,具有更宽的透光范围,并且可扩展到中红外波段,以配合2μm波段光通信系统。设计了一种多芯空芯光子带隙光纤,针对不同模式的模场面积、限制损耗和弯曲损耗等特性进行仿真分析。综合分析给出了2μm波段单个和多个模式激光传输的最优波长。

2μm波段激光晶体研究进展

综述了以Ho、Tm、Er为激活离子、以YAG、YAP及YLF为基质的2μm波段激光晶体的特点及应用背景,详细讨论了几种重要2μm波段激光晶体的能级结构、光谱特性及器件研究进展,指出了适合LD泵浦是今后2μm波段激光晶体的发展方向.

2μm波段陶瓷激光器的进展

介绍了在2μm波段陶瓷激光器的实验研究进展，主要包括高功率、高效率的Tm：YAG陶瓷激光器，半导体直接泵浦的Ho：YAG陶瓷激光器和Tm光纤激光泵浦的Cr^2＋：ZnSe烧结成型的陶瓷激光器，这些激光器的输出涵盖了2-2．4μm波段。由于2μm波段的激光陶瓷具有较长的上能级寿命和相对较低的声子能量，不仅在连续波输出时，而且在脉冲输出时具有潜在的高转换效率。还讨论了2μm波段陶瓷的光谱特性，以及这些特性对于2μm波段激光输出性能的影响。

2μm波段宽带可调谐全光纤激光器

设计并实验研究了一种采用Fabry-Perot(F-P)光纤滤波器的2μm波段宽带可调谐全光纤环形激光器,经过放大的1 550nm半导体激光泵浦单模铥-钬共掺光纤(THDF)获得2μm波段宽带增益。实验结果表明,该结构在2μm波段获得了195nm调谐范围的激光输出,线宽0.05nm,边模抑制比66.98dB。整个结构采用铥-钬共掺光纤放大结构,可使输出功率达到瓦级。

2μm波段固体激光材料的发展

本文综述了以Ho^(3-)、Tm(3+)为激活离子的2μm波段固体激光材料的发展,介绍了Cr,Tm,Ho:YAG,Cr,Ho:YAG和Tm:YAG等主要材料的激光特性和晶体生长方法,讨论了敏化作用和稀土离子宽带调谐激光原理。

2μm波段多波长可调谐光纤激光器研究

设计了一种基于马赫-曾德(M-Z)光纤干涉滤波器的可调谐多波长掺铥环形光纤激光器,M-Z光纤滤波器由两个3 d B耦合器级联构成,通过光纤耦合器接入环形腔中,并利用Sagnac光纤反射镜实现反射式滤波。实验利用一个发射功率为250 m W的1573 nm光纤激光器作为泵浦源,通过一个1570/2000 nm波分复用器(WDM)注入一段4 m长单模掺铥光纤(TDF)中获得2μm波段光增益。环形腔内加入偏振控制器(PC)调节腔内损耗,实现了2μm波段可调谐多波长输出,观测到最多3个波长激光。

2μm波段基于四波混频宽可调的多波长激光器

研究了一种2μm波段基于四波混频效应的宽可调掺铥多波长光纤激光器,四波混频过程发生在一段400 m长的高非线性光纤中。将可调谐的2μm波段掺铥光纤激光器和连续的1 950 nm半导体激光器作为泵浦光源和信号光源,二级掺铥光纤放大器用于放大激光功率,实现了波长范围宽达140 nm、波长个数多于100个的新波长输出,通过调节泵浦光和信号光的波长间隔来改变各个新波长之间的波长间距。使用光谱仪测试激光器的稳定性,在光源波长间隔6 nm内,均得到功率波动、波长漂移小的多波长激光。

2μm波段片上光子集成器件的研究进展(特邀)

随着大数据业务的迅速发展,为应对持续增长的带宽需求,光纤通信窗口逐渐从传统C波段向C+L波段拓展。探索新波段也成为了光通信领域迫切需要解决的关键问题。位于近红外与中红外之间的2μm波段具有低传输损耗和宽增益谱范围等优势,有望成为下一个光纤通信和空间激光通信的窗口。在商用光电子器件尚不成熟的情况下,实验室条件下已实现单波100 Gbit/s光传输记录。与此同时,2μm波段功能性器件的研究也成为备受关注的热点。文中重点介绍了2μm波段硅光子器件的研究进展,以及基于III-V族、铌酸锂薄膜、氮化硅、硫系玻璃等其他材料的一系列功能性器件,最后对2μm波段片上光子集成器的发展前景进行了展望。

2μm波段超快激光晶体的研究进展

本文综述了Tm、Ho离子掺杂的双钨酸盐类晶体、YAP晶体、Lu2O3晶体、CLNGG晶体的光谱参数和最新研究进展,以及利用它们作为基质的超快激光器的工作性能,总结了各类激光晶体的晶体性质和优点,并指出具有寻找适合LD泵浦的宽吸收和发射光谱特性的无序结构晶体材料将成为未来的研究方向。

2μm波段单掺铥脉冲固体激光器研究进展

2μm波段激光用途广泛,既可以应用于激光雷达、激光测距和医疗手术等领域,又可以作为中长波红外波段激光器的泵浦源。采用激光二极管直接泵浦掺铥晶体获得2μm波段激光,是一种直接高效的技术手段,受到了广泛关注。本文介绍了Tm∶YAG、Tm∶YAP和Tm∶YLF脉冲激光器的研究进展,并进行了总结与展望。

2μm波段混合复合谐振腔型单纵模光纤激光器

设计并演示了一种2μm波段高信噪比混合复合谐振腔型单纵模(SLM)掺铥光纤激光器(TDFL)。混合复合谐振腔由基于3个均匀光纤布拉格光栅(FBG)和2个光纤耦合器(OC)的非对称线形复合四腔和基于另外2个OC的双OC环形腔组成。基于游标原理,非对称线形复合四腔可以实现激光SLM选择。双OC环形腔作为窄带滤波器,进一步确保激光器长时间SLM稳定运行。采用放大的1567 nm激光泵浦掺铥光纤,当泵浦功率为2.80 W时,激光输出中心波长为2049.160 nm,输出功率为15.47 mW,光信噪比高达75.65 dB,200 min测量时间内波长和功率波动分别小于0.005 nm和0.85 dB,10 min测量时间内激光可以保持稳定的SLM运行,激光器的阈值泵浦功率和斜率效率分别为1.75 W和1.43%。提出的TDFL在自由空间光通信、激光雷达、光学传感等领域具有潜在的应用价值。

2μm波段单频拉曼光纤放大器中受激布里渊散射研究

2μm波段高功率单频拉曼光纤放大器(SF-RFA)的性能通常会受到受激布里渊散射(SBS)效应的影响。本文考虑SBS效应下拉曼光纤放大器的速率方程,建立了SBS限制下的SF-RFA理论模型,计算了SF-RFA的能量分布和功率输出。讨论了泵浦功率、光纤长度等因素对光纤放大器中SBS效应和输出功率的影响,总结了如何在提高放大器输出功率的同时有效抑制SBS效应的方法。本文数值模拟结果为实验研究高功率SF-RFA中抑制SBS效应提供一定的指导。

2μm波段掺铥倍半氧化物陶瓷激光器研究进展

具有低声子能量,高热导率的立方晶系倍半氧化物陶瓷是一种有潜力的铥掺杂激光材料,其常规3F4→3H6跃迁发射谱线可拓展至2.1μm波段。综述了Tm∶Sc2O3、Tm∶Y2O3、Tm∶Lu2O3陶瓷的光谱参数和激光性能的研究进展,并指出复合结构及混晶型陶瓷是掺铥倍半氧化物陶瓷激光的未来发展方向。

新型非临界相位匹配KTA-OPO 2μm激光器

首次提出了一种基于非临界相位匹配KTA光参量振荡的新型2μm脉冲激光技术。采用激光二极管(LD)端面泵浦Nd:YVO4晶体实现1.3μm振荡,腔内泵浦非临界相位匹配切割的KTA晶体,初步实现了超过1W的2.1μm波段激光输出,光光转化效率10%,脉宽3.4ns(30kHz)。相对于其他方式获得的2μm波段激光,具有脉宽窄、峰值高、谱线纯等优点,是一种获得2μm波段激光的有效新途径。

2μm超短脉冲全固态掺铥振荡器研究进展(特邀)

2μm激光处于水的吸收峰,对人眼安全而且处于大气窗口波段,在空间通讯、遥感探测、环境监测、激光制导、红外对抗、外科手术等领域具有重要的应用价值。随着各类掺铥和铥钬共掺激光介质的不断丰富及锁模技术不断发展,2μm波段超短脉冲全固态振荡器成为最近几年激光技术的研究热点之一。文中系统分析了2μm波段激光基质材料和锁模技术,概括了近年来国内外2μm超短脉冲全固态掺铥振荡器的最新进展,并对代表性实验进行了分析介绍,最后对2μm波段超短脉冲全固态掺铥振荡器的发展前景做出总结与展望。

2μm GaSb基被动锁模激光器重复频率变化的研究(特邀)

半导体锁模激光器产生的高重复频率的光脉冲序列在众多领域都有着广泛的应用,而对于绝大多数应用,一个固定而准确的重复频率是必须的。由于此种激光器的重复频率主要由激光器波导的有效折射率和腔长来确定,激光器制成以及解理时的不确定性就可能会给其重复频率带来偏差。为了弄清此种激光器的各种工作条件会怎样影响其重复频率从而对上述的偏差进行补偿,设计并制成了一种2μm GaSb基单量子阱锁模激光器。激光器采用两段式结构(增益区,饱和吸收体区)并可以在高达60℃实现稳定的锁模工作模式。系统地记录了此激光器重复频率随偏置条件(增益区电流,饱和吸收体区电压)以及工作温度的变化规律,并且对产生这些变化的原因进行了分析。这些工作能够让人们更加清楚地认识锁模激光器的特性,从而更好地达到各种应用所需要的重复频率。

Tm^(3+)掺杂玻璃光纤研究进展

2μm波段光纤激光可被广泛应用于激光雷达、生物医疗、环境监测以及光谱学等领域,而Tm^(3+)掺杂玻璃光纤是2μm波段光纤激光重要的增益介质。本文从Tm^(3+)掺杂玻璃的发光特性出发,介绍了Tm^(3+)掺杂玻璃光纤的制备技术,综述了不同玻璃基质材料掺Tm^(3+)光纤的研究进展。最后,指出了制备高性能Tm^(3+)掺杂玻璃光纤需要解决的关键问题,提出了可能的解决方法,并对Tm^(3+)掺杂玻璃光纤发展趋势进行了展望。

Tm^(3+)/Ho^(3+)离子掺杂中红外超快激光技术研究进展(特邀)

稀土离子Tm^(3+)/Ho^(3+)掺杂中红外2μm波段超快激光由于广泛的应用前景成为近十余年来激光领域的研究热点之一。文中首先综述了稀土离子Tm^(3+)/Ho^(3+)掺杂固体/光纤2μm波段超快激光锁模技术进展,包括主动锁模技术以及饱和吸收、克尔透镜、非线性偏振旋转、非线性光环形镜、非线性多模干涉等被动锁模技术;其次,结合激光增益介质及色散管理技术回顾了Tm^(3+)/Ho^(3+)掺杂固体和光纤锁模激光脉冲宽度压缩进展;再次,总结了Tm^(3+)/Ho^(3+)大能量/高功率超快激光技术及进展;最后,对2μm波段超快激光发展趋势进行了总结和展望。