掺Tm^(3+)石英光纤频率上转换过程的实验研究

报道了实验研究连续１０５３ｎｍＮｄ３＋ＹＬＦ激光泵浦国产掺Ｔｍ３＋石英光纤产生紫外（３８７．４ｎｍ）、蓝光（４７７．４）、红光（６５１．４）、近红外光（８０２．９ｎｍ）的频率上转换荧光的实验结果。测量了荧光发射光谱以及发光强度随泵浦功率的变化，并给出了实验结果的初步机理解释。

1565nm激光泵浦Tm^3＋：Ho^3＋共掺石英光纤激光器动态特性

利用1565nm激光作为Tm3+:Ho3+共掺石英光纤激光器的泵浦带是一项较新的研究内容,动态特性能够有效反映激光振荡机制建立过程中能级粒子数和激光功率的变化情况,为系统实验的优化提供理论依据。建立了该泵浦带下系统的理论模型,基于速率方程和功率传输方程,采用离散算法,在Matlab软件中设置泵浦功率为3W、光纤长度2.5m条件下,分别对Tm3+:Ho3+共掺石英光纤的输入端、中点处和输出端的动态变化特性进行理论研究。结果表明:不同位置处,光纤对泵浦功率的吸收程度不同;光纤中粒子数和激光功率的弛豫振荡开始和持续的时间表现出较大差异,信号光振荡峰值远大于达到稳态时的功率;系统的光-光转化效率达到56%。

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。

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。

高功率掺Tm^3+光纤放大器热效应管理的泵浦方式优化理论研究

基于主振荡功率放大器结构的高功率掺Tm^3+光纤激光器是2μm波段高功率光纤激光器的主要实现形式,掺Tm^3+光纤放大器(Thulium-doped fiber amplifier,TDFA)热效应管理的研究对于其输出激光功率的不断提升具有重要意义。本文主要对TDFA热效应管理的泵浦方式优化方面进行理论研究,利用龙格库塔法以及牛顿迭代法求解不同泵浦方式下TDFA的稳态速率方程,并根据热传导方程,模拟掺Tm^3+光纤(Thulium-doped fiber,TDF)温度沿径向和轴向的分布。结合遗传算法理论,研究了分段泵浦方式,经过参数优化,在功率为5 W的2020 nm输入信号光、总功率为1000 W的793 nm激光泵浦、TDF吸收系数为3.1 dB/m条件下,将总长度为11 m的TDF分为2.4,2,2,2,2.6 m的5段进行泵浦,得到放大信号激光输出功率为284.5 W、斜率效率为28.45%、光纤外包层边界最高温度为86.28℃且温度总体分布均匀。与传统前向泵浦、双端泵浦方式下的TDFA相比,其热效应有明显改善。

Er^(3+)/Tm^(3+)共掺光纤放大器的模型和增益特性

基于Er/Tm共掺石英光纤的能级跃迁及能量转移特性,建立了Er3+/Tm3+共掺石英光纤放大器的理论模型。采用离散算法,计算了自发辐射输出功率谱和放大器的信号增益。结果表明,依据模型计算的正向自发辐射输出功率谱与实验结果基本一致;输出信号的3dB增益带宽随不同的光纤长度和泵浦功率而变化;当输入的泵浦功率为0.2W,信号功率为1μW时,Er3+/Tm3+共掺石英光纤放大器的3dB带宽可达到110nm。

环形腔双包层掺Tm^(3+)光纤激光器的动态特性研究

基于速率方程的离散算法,实现了对环形腔双包层掺Tm3+光纤激光器的动态特性分析;研究了光纤不同位置处3H4和3F4能级粒子数以及激光功率的变化。结果表明:光纤不同位置处稳态振荡前3H4和3F4能级粒子数及激光功率随时间呈现不同的变化特点。不同位置弛豫振荡开始的时间相同,但达到稳态的时间并不相同;不同位置振荡开始时的最大峰值功率和到达稳态时的功率亦不相同。

改进的环形腔双包层掺Tm^(3+)光纤激光器

设计了一种改进的环形腔双包层掺Tm3+光纤激光器。通过分析准三能级系统的再吸收损耗并对比实验结果,获得了双包层掺Tm3+光纤激光器的阈值功率和热平衡时反转粒子的数量;研究了所设计的环形腔双包层Tm3+光纤激光器的稳态特性,仿真结果表明:环形腔结构下,整个光纤都处于高泵浦状态之中,且随入射功率的增加,泵浦功率增加更明显;在光纤长度不变的情况下,二色镜最佳反射率随泵浦功率的增加逐渐增大;在二色镜反射率不变的情况下,随泵浦功率的增加,最佳光纤长度逐渐增加。

透镜组耦合793nm LD抽运掺Tm^(3+)光纤激光器

为了实现2μm激光高效输出,采用793nm激光二极管端面抽运掺Tm3+光纤激光器的方法设计了抽运光耦合系统,分析了掺Tm3+光纤激光器的交叉弛豫效应及热效应,并进行了相关的实验研究。结果表明,获得耦合系统的耦合效率为84%;当入纤抽运光功率为70W时,获得34W激光输出,斜率效率为59%,中心波长为2001.2nm,光束质量M2≤1.2。该研究结果对掺Tm3+光纤激光器的设计具有指导意义。

高掺杂浓度、短腔长Yb^(3+)光纤环形激光器

采用高掺杂浓度Yb3+光纤研制了短腔长环形激光器,对比普通掺杂Yb3+光纤分析了激光器阈值、输出功率等重要特性与光纤长度、输出耦合器耦合比等参量之间的关系,并通过具体实验进行验证,实验现象与模拟结果基本一致。

2μm波长掺Tm^(3+)光纤激光器的研究进展

2μm波长掺Tm3+光纤激光器是应用于医学治疗、人眼安全和激光雷达等远程探测系统的理想光源。介绍了Tm3+的能级特点,并对2μm波长掺Tm3+光纤激光器的各种泵浦方式进行了比较。

新型高掺Tm^(3+)石英光纤制备及2.0μm激光性能研究

稀土掺杂石英光纤具有物化性能稳定、机械强度高、易于系统集成等优点,是目前光纤激光器最核心的增益介质,但其稀土掺杂浓度一般较低(<2%)。利用溶胶凝胶法和高温烧结工艺制备了Tm^(3+)掺杂浓度为8.29×10^(20) cm^(-3)的高硅氧玻璃,并表征了其光谱性能。采用溶胶镀膜和二次熔融拉锥方法制备了芯径约为4μm、外径为125μm的石英光纤,其可与商用无源光纤进行熔接。利用全光纤化线性腔结构,以制备的不同长度掺Tm^(3+)石英光纤作为增益介质,均可实现1947 nm激光输出,光信噪比约为70 dB;当光纤长度为4.6 cm时,斜率效率高达14.1%;同时搭建了掺铥光纤放大器,测得光纤小信号净增益系数为0.48 dB/cm。研究结果表明,该新型光纤制备方法可为高浓度掺铥石英光纤提供新途径,有望推动其在2.0μm单频及高重频锁模光纤激光器中的应用。

掺Yb^(3+)光纤放大器的自发辐射噪声分析

为了研究掺 Yb^(3+)光纤放大器中自发辐射噪声分布情况,利用离散化的方法求解掺 Yb^(3+)光纤放大器的速率方程,理论研究了不同的抽运方式、端面反射率、抽运功率以及有无滤波等条件下,端面抽运掺 Yb^(3+)光纤放大器中自发辐射的功率放大特性。结果表明,不同边界条件下的自发辐射功率差异较大;通过减少光纤端面的菲涅耳反射和利用滤波技术等方法,可有效抑制光纤激光放大器中自发辐射噪声的功率放大。

1565nm激光泵浦Tm∶Ho共掺石英光纤激光器稳态特性

与800nm和1180nm泵浦带相比较,1565nm泵浦有效消弱了多能级快速非辐射跃迁以及能量上转换损耗。建立了1565nm激光泵浦Tm3+∶Ho3+共掺石英光纤产生2μm激光的理论模型,给出系统完整的速率方程和功率传输方程,采用数值模拟的方法对理想条件下系统稳态特性进行分析。结果表明,采用1565nm激光作为泵浦源,能够获得高效率的激光输出。在泵浦功率为3W、光纤长度2.2m时,输出功率高达1.7W、量子效率57%、斜效率67%。这是目前此类光纤获得的较好转换效率。

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.

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。

双包层Er^(3+)/Yb^(3+)共掺光纤放大器

详细描述了双包层E r3+/Y b3+共掺光纤放大器的基本原理和基本结构,介绍了此类光纤放大器在提高输出功率、提高增益、降低噪声及增益平坦等方面的研究进展,并报道了最新的实验结果:采用双包层E r3+/Y b3+共掺光纤放大器,实现了中心波长位于1 561 nm、3 dB带宽为8 nm、输出功率达1.16W超荧光输出,光光转换效率可达32%。

2μm高功率掺铥连续光纤激光器研究进展

掺铥光纤激光器体积小、结构紧凑、光束质量优秀、散热性能好,近十年间广泛应用于医疗、探测、工业等多个领域。主要介绍近十年高功率掺铥光纤激光振荡器和放大器的主要研究进展。在改善热效应管理方面,介绍了关于同带抽运、分段泵浦、调整掺杂浓度等几种方案。通过使用多级放大和高功率激光合束,以及更有效的热管理是目前实现更高输出功率的主要方向。

57nm的低噪声宽带掺铒光纤放大器

采用双级级联单程放大实现高增益、低噪声的C波段掺铒光纤放大器(EDFA);采用双级级联双程放大实现高增益、超平坦的L波段EDFA。在此基础上,采用并联结构实现了30dB以上的高增益、3dB带宽为57nm的低噪声宽带EDFA。

石英基掺Tm^3＋包层抽运光纤激光器

在MCVD车床上利用"湿法"掺杂方法研制出纤芯高掺Ge的石英基掺Tm3+光纤预制棒,采用侧面研磨和抛光工艺制成横截面为正六边形的光纤预制棒.经拉丝,内层涂覆低折射率材料后制成包层抽运光纤.测试其吸收谱,并对光纤参数进行优化.通过在光纤两端紫外写入光纤Bragg光栅,制成线形光学谐振腔,在工作波长793 nm的激光抽运下,获得工作波长1947.1031 nm、功率2.05 W的激光输出.由此证明这种光纤具有优异的光学特性.