2μm掺Tm^(3+)石英光纤激光器的泵浦效率分析和研究进展

以泵浦效率的分析为视角和线索,综述了2μm掺Tm3+石英光纤激光器研究历史和最新进展。通过对交叉驰豫、能量传递上转换、激发态吸收及基态吸收等过程的考察,详细分析了掺Tm3+石英光纤激光器三个不同吸收带的泵浦跃迁机制。从斯托克斯效率、斜率效率及泵浦结构的角度比较了三个泵浦波带的效率和优劣。指出3H6→3H4跃迁泵浦与LD良好的光谱匹配使其成为掺Tm3+石英光纤激光器最理想的泵浦方案。

掺Tm^(3+)光纤激光器的热效应分析

随着泵浦源功率的提高和双包层抽运技术的发展,掺Tm3+光纤激光器的输出功率已达到kW量级,热效应逐渐成为限制掺Tm3+光纤激光器输出功率和光束质量提高的关键因素。主要分析了掺Tm3+光纤激光器的热效应以及一些常用的应对措施。

基于分布泵浦结构的高功率掺Tm光纤激光器(英文)

为了实现掺Tm光纤激光器的高功率连续运转,需要解决半导体激光器输出的低光束质量泵浦光到增益光纤包层的高效耦合问题,以及增益光纤的热管理问题.利用柱面透镜组成的望远镜光学系统对半导体激光器输出泵浦光束进行扩束,使其水平方向的光束发散角获得降低,利用45°反射切割镜对扩束后的光束进行切割,经整形处理后水平方向的光束参量积为84mm·mrad,实现了约70%的光纤端面耦合传输效率.设计了两段增益光纤串联的结构,增加了泵浦光接收端面数,获得了528W的可用泵浦功率.光纤的热管理方面,在泵浦光的输入端部(约250mm),采用了水冷金属热沉散热.基于该实验装置,利用总长度6.4m的掺Tm增益光纤,获得了最高280W的连续输出功率,激光中心波长2 015nm,对应于耦合泵浦功率的斜率效率达55.6%.实验结果表明:通过对半导体泵浦光束的整形处理,可以提高光束对增益光纤的耦合传输效率;双光纤串联的结构在增加可用泵浦功率的同时,降低了光纤端部的热负载,并使整个光纤长度上的热分布更加均匀.

增益开关掺Tm^(3+)光纤激光器的理论与实验研究

与固体激光器不同,光纤激光器中增益光纤长度可近似认为整个谐振腔的长度,传统的速率方程模型只考虑激光器参数随时间变化,而不考虑这些参数沿轴向变化情况,会在理论上对激光器输出特性的分析带来误差。本文建立带内泵浦的增益开关掺Tm^(3+)光纤激光器的行波方程模型,研究了腔内光子数、上能级粒子数和泵浦脉冲沿光纤轴向分布情况,以及不同重频和纤芯的增益光纤可提取能量的变化。在100 ns脉宽和15μJ脉冲能量的泵浦脉冲作用下,当重频增加至5 MHz时,激光输出脉冲会出现多脉冲振荡现象。实验上实现了全光纤化的增益开关掺Tm^(3+)光纤激光器,将实验结果与理论分析进行比较,两者之间较好相符。

通过离子间有效交叉驰豫实现掺Tm光纤激光器的高功率和高效率运转(英文)

通过对石英玻璃光纤芯径组分及Tm3+掺杂浓度的优化,有效地提高了Tm离子间的交叉驰豫过程,实现了掺铥光纤激光的高功率、高效率运转.当耦合的790 nm泵浦光为137 W时,掺铥光纤激光产生了81.5 W连续2.03μm激光输出,相对于耦合泵浦光的激光斜效率达62.5%,为斯托克斯极限效率的1.7倍.最后讨论了进一步提高激光输出性能的方法和可行性.

双包层石英基掺Tm^(3+)光敏光纤的研制及应用

掺Tm3+石英光纤将光纤激光器的输出调谐范围扩展到1 780~2 050 nm。掺Tm3+光纤激光器在医学、生物学、遥感、超快光学等方面被广泛应用。但是,近年来对掺Tm3+石英光纤的研制的报道较少。利用液相掺杂工艺在MCVD车床上研制了具有强光敏性的双包层石英基掺Tm3+光敏光纤。在这种光纤上写入均匀Bragg光纤光栅,由反射率为90%的光纤光栅和光纤端面反馈构成线形光学谐振腔。在工作波长为793 nm的泵浦光抽运下,获得波长为1 946.989 3 nm、谱线宽度为59.5 pm、功率为2.10 W的激光输出。

高效率掺Tm^(3+)双包层光纤及光纤激光器的研制

掺Tm3+光纤激光器有着广泛的应用前景,而掺Tm3+光纤是其核心与关键.本文采用改进的化学汽相沉积(MCVD)工艺和气相液相复合掺杂技术,在MCVD机车上实现了掺Tm3+石英光纤预制棒的制备,并制备了掺Tm3+石英双包层光纤(芯包比为10/125).利用上述光纤搭建直腔型全光纤激光器,在波长为793nm的LD抽运下,获得激光光谱中心波长为2002 nm,最大的激光输出功率30.7 W,光纤斜率效率为59.32%.

石英基掺Tm^(3+)光纤激光器特性的理论分析

基于速率方程理论建立了石英基掺Tm3+光纤激光器3H6—3H4抽运方式的理论模型,采用龙格-库塔(Runge-Kutta)法对该模型进行了数值分析,得出抽运光与激光功率在掺Tm3+光纤中的分布特性,并对Tm3+光纤长度、Tm3+的掺杂浓度等因素对掺Tm3+光纤激光器性能的影响进行了相关分析.

高功率、宽调谐掺Tm光纤主振荡功率放大器

输出波长位于2μm附近的可调谐掺Tm激光器在光通信、激光雷达、环境监测等领域都有广泛的应用。介绍了基于主振荡功率放大(MOPA)方式的高功率、宽调谐掺Tm光纤放大器的实验研究。其中,主振荡系统采用闪耀光栅的Littrow衍射提供外腔反馈和波长选择,实现了调谐范围超过160nm(1921～2084nm)的低功率激光输出。为提高该激光器的输出功率,采用MOPA方式对其进行一级放大,实现了高功率、宽调谐激光输出。调谐范围大于140nm(1936～2081nm),且在大于100nm(1962～2066nm)范围内输出功率均超过54W。在中心波长1981nm处,获得功率为77.4W,斜率效率为34.4%的高功率激光输出。

2μm掺铥(Tm^(3+))光纤激光器的实验研究

为了实现高效、紧凑、窄线宽的2μm激光输出,采用中心波长为790nm的LD激光器作为泵浦源端面泵浦掺铥光纤,半导体散热系统,光纤布拉格光栅(FBG)构成谐振腔的全光纤激光器。首先,我们采用一个光栅,光纤尾端采用4%的菲涅尔反射,将所有的光学元件熔接在一起后,我们获得了2μm的稳定输出。当泵浦电流为44A时,获得的最大输出功率为8.7W,斜率效率为29.4%,其线宽为4.5m,阈值功率为0.7W。当采用两个光栅构成谐振腔时,其线宽可窄至3nm左右,光斑质量可得到进一步的提高.实验结果表明:该激光器稳定性可靠、输出激光线宽较窄,功率较高,光斑质量好。

648nm激光雪崩抽运掺Tm晶体的本征光学双稳特性研究

理论研究了648nm激光雪崩抽运掺Tm晶体的本征光学双稳态.根据系统的非线性速率方程理论,推导出了稳态近似下雪崩阈值的解析表达式,数值研究了光子雪崩动力学响应、本征光学双稳性以及系统参数对光学双稳态的影响等.研究结果表明,648nm激光抽运下可以观察到掺Tm激光晶体的2μm荧光辐射本征光学双稳态,通过改变可控的实验参数能够实现对光学双稳回线环的形状调节.

掺Tm激光晶体的可见与红外发光转换及双稳多色开关

理论研究了648 nm激光抽运掺Tm晶体的可见与红外发光转换和发光双稳特性.根据系统的耦合速率方程理论,推导了发光转换阈值的解析表达式,数值研究了Tm3+能级布居数,辐射光谱以及发光强度等随抽运光强的变化.数值结果表明,648 nm激光抽运下可以实现452/469 nm蓝光与1716 nm红外光谱的发光转换.在光子雪崩阈值附近,可以观察到掺Tm晶体的辐射光谱双稳,荧光色度双稳和发光强度双稳等现象.利用掺Tm晶体的可见与红外发光转换与双稳特性,可以实现抽运功率控制的全固态发光转换器和双稳波长开关.

Ho^(3+)/Tm^(3+)共掺Ge-Ga-S-CsI玻璃的2.0μm中红外发光特性的研究

用熔融急冷法制备了系列Ho3+/Tm3+共掺的78GeS2-12Ga2S3-10CsI玻璃样品,测试了样品的吸收光谱以及808 nm激光泵浦下的2μm中红外荧光光谱。用Judd-Ofelt理论计算了Ho3+离子在78GeS2-12Ga2S3-10CsI硫卤玻璃中的强度参数Ωi(i=2,4,6)、自发辐射跃迁概率Arad和辐射寿命rτ等光谱参数,以及Ho3+离子在2μm处的吸收截面aσ、发射截面eσ和增益系数G(λ)。讨论了808 nm激光泵浦下的样品中红外荧光特性与Tm3+离子掺杂浓度之间的关系,分析了Tm3+和Ho3+之间的能量转移机制。结果表明,Ho3+/Tm3+共掺的78GeS2-12Ga2S3-10CsI玻璃是一种理想的2μm激光基质材料。

Er^(3+)∶Yb^(3+)∶Tm^(3+)共掺硼硅酸盐玻璃光致发光温度特性和能级劈裂

高温固相烧结法制备了Er3+∶Yb3+∶Tm3+共掺硼硅酸盐玻璃.在978 nm半导体激光器抽运下,测量了样品在300～573 K下光致发光谱强度随温度的变化,讨论了室温时上转换绿光和红光等波段的光谱劈裂.分析了Er3+,Yb3+和Tm3+之间的能量传递机制.研究结果表明,当温度升高时,Er3+∶Yb3+∶Tm3+共掺硼硅酸盐玻璃的481 nm蓝光、517和534 nm绿光、以及657 nm红光等光致发光强度单调下降,在490 K时几乎消失.但900 nm左右的近红外光谱则随温度的升高而持续增强,而且其中心波长向短波方向移动.在室温时,光谱劈裂明显,高温时劈裂逐渐消失.

Tm^(3+)/Yb^(3+)共掺碲酸盐玻璃的近红外发光及能量传递机理

采用高温熔融法制备了组分为TeO2-ZnO-Na2O的Tm3+离子单掺和Tm3+/Yb3+共掺碲酸盐玻璃,应用Judd-Ofelt理论计算分析了玻璃样品的强度参量Ωt(t=2,4,6),自发辐射跃迁几率A,荧光分支比β和荧光辐射寿命τrad等光谱参量,测量得到了不同Yb3+离子掺杂浓度下玻璃样品的Tm3+离子上转换发光谱.结果显示,在980nm泵浦光激励下玻璃样品发射出强烈的近红外上转换荧光.对Tm3+离子上转换发光分析表明,强烈的Tm3+离子近红外上转换发光主要来自于Yb3+/Yb3+离子间的共振能量传递以及基于单声子和双声子辅助的Yb3+/Tm3+离子间的非共振能量传递过程,并进一步计算得到了声子贡献比和能量传递系数.最后,计算分析了Tm3+∶3 F4→3 H6能级间跃迁的1.8μm波段吸收截面、受激发射截面和增益系数.研究表明,Yb3+/Tm3+共掺TeO2-ZnO-Na2O玻璃可以作为近红外波段固体激光器的潜在增益基质.

Tm^(3+)/Yb^(3+)共掺杂ZBLAN玻璃的多光子紫外上转换发光

利用光谱分析手段研究了熔融淬火法制备的Tm和Yb共掺杂的重金属氟化物玻璃ZrF4-BaF2-LaF3-A1F3-NaF的上转换发光性质.在980 nm连续激光的激发下,观察到了较强的363 nm(1D2→3H6),347nm(1I6→3F4)和291 nm(1I6→3H6)的紫外上转换发光,以及中心位于454 nm,475 nm,643 nm,687 nm和804 nm的上转换荧光.这些上转换发射所对应的f-f跃迁为1D2→3F4,1G4→3H6,1G4→3F4,3F3→3H6和3H4→3H6.根据上转换发光强度随泵浦光功率的双对数变化关系得到,347 nm和363 nm的发光分别属于5光子和4光子上转换过程.结果表明:Tm和Yb共掺杂的ZrF4-BaF2-LaF3-A1F3-NaF玻璃可以有效地把近红外波段的激光转化成紫外波段的光.

超宽带Er,Tm共掺石英光纤放大器稳态研究

分析了波长为980nm激光抽运下的Er3+,Tm3+共掺石英光纤放大器的工作原理,并根据此工作原理,建立了Er3+与Tm3+之间能量转移过程的数学模型。基于速率方程和功率传输方程,数值模拟了此种光纤放大器稳态工作特性,给出了不同光纤长度、不同输入抽运功率以及不同掺Tm3+浓度下多路光信号放大时输出信号功率谱的变化规律。仿真结果表明,当输入抽运功率为400mW时,Er,Tm共掺石英光纤放大器的3dB带宽可达90nm(比传统掺Er3+光纤放大器的增益带宽大两倍以上),平均增益可达10dB,可用于未来密集复用系统(DWDM)中的宽带放大器件。

Tm^(3+)和Ho^(3+)双掺氟锗酸盐玻璃的中红外发光性质

用高温熔融法制备了Tm3+和Ho3+离子双掺的65GeO2-12AlF3-10BaF2-8Li2O-5La2O3氟锗酸盐玻璃.应用Judd-Ofelt理论,获得了Ho3+离子的强度参量(Ω2,Ω4,Ω6),自发辐射跃迁几率Ar,辐射寿命τ等光谱参量.根据McCumber理论,计算了玻璃中Tm3+和Ho3+离子的吸收截面σa、受激发射截面σe和增益光谱G(λ).在808nm激光二极管激发下,研究分析了Tm3+离子的交叉弛豫过程和Tm3+敏化Ho3+离子的2.0μm的红外发射光谱.结果表明,一定浓度Ho3+的共掺提高了Tm3+(3F4)→Ho3+(5I7)之间的能量转移效率,增强了~2.0μm的红外发光.

二价碱土金属氟化物对Er^(3+)/Tm^(3+)/Yb^(3+)共掺氟氧锗酸盐玻璃热稳定性和光谱特性影响的研究

制备了分别含有MgF2,CaF2,SrF2或BaF2的Er3+/Tm3+/Yb3+共掺氟氧锗酸盐玻璃试样和包含BaF2纳米晶的玻璃陶瓷试样,所制备试样均具有良好的透光性。对试样的热稳定性和上转换发光特性进行了研究。通过分析试样的吸收光谱发现,随着所含二价阳离子原子量的增大,试样的紫外吸收截止波长明显向短波方向移动。结果显示:通过改变所含二价碱土金属离子的种类能够对激发光的颜色进行调节,特别值得关注的是Mg2+的影响;结果证实:通过对包含二价碱土金属的玻璃进行微晶化处理或者增加二价碱土金属的含量均能提高上转换发光的强度。

Tm^(3+)/Dy^(3+)共掺硫卤玻璃中红外发光和能量传递研究

用熔融急冷法制备了系列Tm3+/Dy3+共掺0.9(Ge25Ga5S70)-0.1CsI硫卤玻璃,测试了样品的吸收光谱以及800 nm激光泵浦下中红外荧光光谱特性。结果表明:Tm3+离子的引入能够有效提高Dy3+离子2.9μm中红外荧光强度。当Tm3+离子掺杂浓度固定,随着Dy3+离子掺杂浓度的增加,Tm3+:3F4→3H6跃迁产生的1.8μm荧光强度和荧光寿命明显单调下降,Tm3+:3F4→Dy3+:6H11/2能量传递为Tm3+/Dy3+之间能量转移的主要途径。由于Tm3+:1.8μm荧光发射光谱与Dy3+:6H15/2→6H11/2的吸收光谱之间存在较大的重叠区,Tm3+/Dy3+之间有效的能量传递主要来源于Tm3+:3F4能级向Dy3+:6H11/2能级的共振能量传递。