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。

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。

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。

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。

国产掺铥双包层光纤光谱特性研究

对内包层截面为六边形的国产掺Tm3+双包层光纤的光谱特性进行了较全面的实验研究。在1064nm激光泵浦下,观察到掺铥光纤发出明亮的蓝光,对其上转换谱进行了测量,并分析了产生的机理。在785nmLD泵浦下,测量了光纤的荧光谱。选用3种不同透过率的输出镜,对长度分别为4.5m和2.2m的掺Tm3+光纤实现了2μm波段的激光输出;利用红外光谱仪测得了激光波长。实验获得最大输出功率达到5.1W,斜率效率41.9%,并对实验结果做了分析。

2μm高功率掺铥光纤激光器的实验研究

为了获得高功率的2μm激光输出,本文采用带尾纤输出的高功率激光二极管(LD)泵浦高掺杂浓度的掺铥双包层光纤,激光器的谐振腔采用光纤光栅,得到该激光器的阈值功率为5.6W。实验中测得泵浦电流增加至50 A时,激光器的输出功率为11.25 W,斜率效率为28%;进一步将此激光作为种子光,通过增加泵浦功率对其进行二级放大。放大过程设计了有效的散热装置,当一个泵浦模块工作时,测得采用散热装置前后激光器的输出功率提高了19.3%;以此为基础使三个模块同时工作,测得泵浦电流为138 A时,输出功率为36.2 W。

相位掩模法红外飞秒激光刻写光纤光栅技术

掺Tm3+光纤激光器在工业、医疗、科技及军事领域具有重要应用前景。光纤布拉格光栅(FBG)是构成光纤激光器的重要元件。但掺Tm3+光纤不具备光敏性,利用紫外脉冲激光很难在其中刻写FBG,即使采用增敏技术提高其光敏性,获得的FBG的折射率调制量也很小,尚不能满足应用要求,阻碍了掺Tm3+光纤激光器全光纤化的发展。以相位掩模法的基本原理为基础,从理论上分析了以飞秒激光为刻写光源的技术要点,总结出与传统紫外激光刻写技术之间的差异及需要注意的问题。建立了飞秒激光相位掩模法刻写光纤光栅的实验系统,利用飞秒激光相位掩模法在非光敏光纤上刻写Bragg光栅,在非光敏掺Tm3+硅基光纤上获得了衍射阶次为二的光纤Bragg光栅,并给出了显微镜下观察到的光栅结构。实验结果证明:飞秒激光可以将FBG刻写入非光敏性硅基光纤,并且具有成栅时间短的优点。

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.

Tm^(3+)掺杂硫卤玻璃光纤的中红外增益特性研究

采用高温熔融淬冷法制备了1%Tm3+掺杂的72GeS2-18Ga2S3-10CsI(GGSI)硫卤玻璃,测试了样品的折射率、吸收光谱和800nm激光泵浦下的中红外荧光光谱,利用Judd-Ofelt和Futchbauer-Ladenburg(FL)理论分析计算了Tm3+在GGSI玻璃中的自发辐射几率、荧光分支比、辐射寿命、吸收截面、发射截面等光谱参数,进而建立了Tm3+的四能级粒子数速率-光功率传输方程模型,模拟计算Tm3+掺杂GGSI玻璃光纤中红外3.73μm波段的增益与掺杂光纤长度、泵浦功率和信号功率的关系。模拟结果显示,硫卤玻璃基掺铥光纤具有较高的信号增益和较宽的中红外增益谱,泵浦功率为1 000mW时,最大小信号增益值达到30dB,20dB增益带宽达到180nm,同时也存在合适的泵浦功率和光纤掺杂长度以期获得最佳信号增益。表明Tm3+掺GGSI硫卤玻璃光纤可作为中红外3.73μm波段放大的理想增益介质。

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%.