2.8μm Er∶ZBLAN中红外光纤激光器研究

中红外波段激光光源在环境监测、材料加工、外科手术、军事等领域发挥重要作用。泵浦低损耗、高浓度Er^(3+)掺杂ZBLAN(Er∶ZBLAN)光纤是产生近3μm激光输出的主要手段之一,相较于其他同波段固态激光器,Er∶ZBLAN光纤激光器具有易集成、效率高,可采用激光二极管直接泵浦等优势,性能日渐提升的Er∶ZBLAN光纤激光器有望成为3μm波段最先发展成熟、走向应用的激光光源。本文主要介绍Er∶ZBLAN光纤激光器工作原理和发展现状,对三种不同的Er∶ZBLAN光纤激光器存在的问题进行分析和总结,最后对Er∶ZBLAN光纤激光器发展趋势进行展望。

3μm波长Er:ZBLAN光纤激光器研究进展

波长在3μm附近的中红外Er掺杂的氟化物(Er:ZBLAN)光纤激光器凭借其良好的光束质量、体积小、可盘绕、易于实现等优势广泛应用于工业、医疗、军事等领域。本文主要介绍了基于Er:ZBLAN光纤激光器的发展现状,讨论了它们在发展中遇到的技术难题,总结并展望了其未来的发展方向。针对目前研究现状,提出多级放大将会是进一步提升3μm Er:ZBLAN光纤激光器单路激光功率的方法。为了突破单路激光的功率极限,将其与光纤合束技术融合将会成为未来的一个研究方向。

瓦级100nm可调谐中红外Er∶ZBLAN光纤激光器

报道了输出功率为瓦级,调谐范围超过100 nm的中红外2.8 mm波段光纤激光器。采用中心波长为975 nm半导体激光器抽运高掺铒氟化物(Er:ZBLAN)双包层光纤,以闪耀光栅为调谐元件,室温下实现了功率大于1 W、宽范围可调谐的2.8 mm波段光纤激光输出,最大调谐范围达122 nm。激光器在波长2.831 mm处输出功率为1.02 W,斜率效率为21.6%。

中红外可调谐增益开关Er:ZBLAN脉冲光纤激光器

报道了波长可调谐增益开关中红外2．8μm脉冲光纤激光器。采用脉冲975nm半导体激光器泵浦高掺Er：ZBLAN双包层光纤，以闪耀光栅为谐振腔反馈元件，获得了波长可调谐增益开关中红外脉冲光纤激光输出。激光器工作频率为1～10kHz，波长调谐范围为2．703-2．819μm。在泵浦源重频10kHz条件下，激光器最大平均功率为110mw，最小脉宽为661．2ns，峰值功率为16．5W，斜率效率达28．6％。

2.8μm增益开关Er∶ZBLAN光纤激光器的数值模拟

建立了适用于2.8μm增益开关掺Er^3+的氟化物光纤(Er∶ZBLAN)激光器的计算模型,并进行了数值模拟。模拟发现存在最佳输出镜透过率使得输出功率最大,同时耦合率也影响脉宽、峰值和脉冲形态。模拟了抽运功率对脉冲形态的影响,发现弱抽运时两个抽运周期内仅出现一个信号光脉冲,而强抽运时一个抽运周期内出现多个信号光脉冲的现象。通过模拟发现了若干未被实验报道的新现象和规律,如耦合率对输出功率、能量、脉冲形态的影响规律;抽运功率阈值附近会出现与抽运周期一致的弱信号脉冲等。研究表明,在适当耦合率和抽运功率时,2.8μm Er∶ZBLAN激光器可以实现稳定增益开关脉冲输出。

激光加热基座法制备Er∶YAP单晶光纤及性能表征

本文采用了激光加热基座(LHPG)法逆向生长技术,实现了多组分Er∶YAP晶体的快速制备。利用LHPG法开展了Er∶YAP单晶光纤的生长研究,通过解决单晶光纤生长过程中存在的色心、开裂、直径起伏等关键问题,制备出直径0.8 mm、长度65 mm的高品质Er∶YAP单晶光纤。对不同掺杂浓度Er∶YAP晶体的光谱性能进行表征分析,结果表明掺杂浓度5%(原子数分数)时,Er^(3+)间存在较强的能量传递过程,有利于实现高效率中红外激光输出。

Er:ZBLAN玻璃的一光束上转换立体显示的初步研究

本文研究了一光束上转换三维立体显示 ,所用材料为Er:ZBLAN氟化物玻璃 ;利用 96 6nm的连续波半导体激光研究了一光束上转换三维立体显示的尺寸效应 ,且得到了它的上转换发光谱 ;尤其是发现了基于 15 2 0nm的半导体激光激发的多光子上转换一光束三维立体显示的性能有大幅度提高 ,这在国际上还未见报道。

双包层Er^(3+)/Yb^(3+)共掺光纤激光器稳态特性的分析

对 98 0nm泵浦光泵浦双包层Er3 + /Yb3 + 共掺光纤激光器进行了数值模拟 ,分析了泵浦光与激光在双包层Er3 + /Yb3 + 共掺光纤中的分布情况、输出功率与泵浦功率的关系、光纤长度与腔镜反射率对输出激光功率的影响 ,计算的最大斜效率为 5 6 .3%,接近于理论计算值的极限。

中红外ZBLAN光纤拉曼激光器的理论分析与设计

根据ZBALN光纤拉曼激光器的结构,理论分析了中红外ZBLAN光纤级联拉曼激光器运行方式并建立了泵浦光和斯托克斯光的非线性耦合方程组。基于该方程组,对用高功率掺铥光纤激光器泵浦ZBLAN光纤产生拉曼频移时泵浦光和斯托克斯光在光纤中的演化过程进行了仿真。为了提高激光器性能,对光纤长度、输出耦合器反射率、泵浦功率等激光器参数及其对激光器性能的影响进行了数值分析。数值计算结果表明,用掺铥光纤激光器泵浦ZBLAN光纤可以以较高的光光转换效率产生更长波长的拉曼激光。不同的光纤长度和输出耦合器反射率相互影响,并共同影响激光器的性能。根据以上分析,最终获得了高性能的ZBLAN光纤拉曼激光器的优化参数。

Er-Yb共掺双包层光纤的研制

报道了溶液掺杂法制备Er-Yb共掺双包层光纤的技术.采用改进的化学汽相沉积研制工艺,制作了SiO2-P2O5-F的光纤阻挡层和SiO2-GeO2-P2O5的疏松芯层,利用疏松芯层在YbCl3、ErCl3溶液中的浸泡吸收作用,成功研制出Er、Yb离子浓度比分别为1∶13和1∶8两个光纤样品,其中样品2在976nm泵浦波长处的有效吸收系数最大达到2dB/m,分析和讨论了光纤的损耗谱和荧光特性.

双包层Yb／Er共掺光纤放大器的数值模拟

为优化光纤放大器结构,对980 nm抽运的双包层Yb/Er共掺光纤放大器进行了数值模拟,分析了不同功率下信号光的增益,计算了稳态情况下光纤中的反转粒子数、抽运光功率、信号光功率沿光纤轴向的分布以及放大器的斜率效率。根据数值模拟的结果,采用10 m长的双包层Yb/Er共掺光纤建立了光纤放大器实验装置。最大光纤抽运功率为6 W,初始信号光功率为0.5 W时,获得了1.9 W的最大输出功率,斜率效率为23.4%。

高功率Er/Yb共掺光纤超荧光光源

为了获得高功率超荧光输出,采用6个976nm的LD,通过一个光纤束耦合器同时抽运Er/Yb共掺光纤,分别研究了单程后向结构和双程后向结构超荧光光源的输出特性。采用单程后向装置,当抽运功率为957mW时,输出功率为120.4mW,斜率效率达到17.5%。在双程后向结构的实验装置中加入4m掺Er光纤,有效地将超荧光的3dB带宽拓展到88nm。

基于能量传递的Pr^(3+):Ce^(3+):ZBLAN光纤中上转换激光器的研究

在Pr3+:Ce3+:ZBLAN光纤中,研究了Pr3+的4f5d上转换激发后向Ce3+的5d能级进行能量传递产生激光的可行性.考虑了以1D2为上转换中间能级的最佳泵浦方案,利用相关实验数据建立了粒子数速率方程和传播方程.经过数值计算表明:在此光纤中利用Pr3+向Ce3+的能量传递过程中,能够产生以Ce3+的5d能级为工作能级的激光振荡;最佳光纤长度为0.2m;输出镜的最佳反射率为70%～90%;阈值泵浦功率在20W以上.

L波段可调谐线形腔Er/Yb共掺双包层光纤激光器

报道了一种结构简单、工作在L波段、可调谐的线形腔Er/Yb共掺双包层光纤激光器 利用由两段高双折射光纤和两个偏振控制器构成的环镜滤波器对激光器进行调谐,使调谐范围达到34nm,功率起伏小于±0. 2dB 用976nm多模LD泵浦Er/Yb共掺双包层光纤产生的ASE作为二次泵源,对未泵浦的一段光纤进行泵浦,使腔内Er/Yb共掺光纤的增益谱移到L波段;多个泵浦源同时对Er/Yb共掺双包层光纤进行侧向泵浦。

掺Er光纤飞秒激光器中电光晶体对激光器参数的影响

由于受增益介质上能级寿命的影响,掺Er光纤光梳的梳齿线宽一般在百kHz量级.为了实现光梳梳齿线宽的压窄,一种有效的方法是在激光器中增加快速响应的电光晶体,使光纤光梳的伺服锁定带宽提高到百kHz以上,为光纤光梳的快速伺服锁定提供反馈机构.这其中,高品质的飞秒激光器是核心.基于此,本文主要研究了掺Er光纤飞秒激光器中电光晶体对激光器参数的影响.通过计算电光晶体的折射率、色散、相位延迟等参数,分析了电光晶体对激光器参数的影响,并在实验上获得了电光晶体电压对激光器重复频率和载波包络偏移频率的影响,进而通过电光晶体实现了对光纤光梳重复频率和载波包络偏移频率的锁定.通过锁定光纤飞秒激光器与窄线宽激光器的拍频信号,验证了电光晶体的引入使激光器的伺服锁定带宽提高到了236 kHz,为窄线宽飞秒光学频率梳的建立提供了技术基础.

级联双包层Er^(3+)/Yb^(3+)共掺光纤放大器的增益瞬态

基于速率方程的离散算法,首次实现了对双包层Er3+/Yb3+共掺光纤放大器级联链路增益瞬态的分析。研究了级联链路中功率漂移与撤除信道数及级联放大器数量的关系。

基于光纤平移的窄线宽可调谐Er^(3+)/Yb^(3+)共掺光纤激光器

针对输出耦合镜旋转调谐时输出光束方向变化问题,设计了一种光纤位置平移、而调谐输出光束方向不变的光纤激光器系统。运用光栅方程,分析了光纤平移的调谐机理;采用输出与反馈光束耦合模型,分析了输出增益线宽随光纤位置、光束半径的变化。理论分析表明:该光纤激光器可获得线宽小于0.2nm的调谐激光输出。实验结果表明,该激光器在波长为1543.446nm处获得的调谐输出功率最大,达到470mW,计算的斜率效率为23.9%;整个调谐区域达到36nm,调谐范围内激光的3dB线宽小于0.08nm。

Er^(3+)在ZBLAN玻璃中的光谱参数

根据Judd—Ofelt理论计算了Er^(3+):ZBLAN玻璃中Er^(3+)的实验与理论谱线强度;用最小一乘法拟合实验与理论谱线强度得到三个强度参数C_λ(λ=2、4、6)。然后计算了各激发态自发辐射电偶极跃迁几率及有关能级的磁偶极跃迁几率、辐射寿命和荧光分支比。

双包层Yb／Er共掺光纤激光器的特性研究

对980nm抽运的双包层Yb/Er共掺光纤激光器进行了数值模拟,分析了稳态情况下光纤中上能级粒子数,抽运光功率,信号光功率沿光纤轴向的分布。计算了激光器输出功率与光纤长度的关系,激光器输出腔镜反射率与输出功率的关系。根据数值模拟的结果,采用4m长的铒镱共掺双包层光纤作为增益介质,反射率为15%的双包层光纤光栅作输出腔镜组建了全光纤激光器,其斜率效率为40%。在3.4W的最大抽运功率下,得到了1.25W的激光输出,输出光谱宽度为0.49nm。

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。