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大模场掺铥全光纤激光器研究

【摘要】:掺铥光纤激光器的输出光谱范围涵盖1.6μm~2.1μm,具有非常广泛的应用前景。其中,2μm脉冲激光是中红外3~5μm以及远红外8~12μm波段光学参量振荡器(OPO)的高效泵浦源,该波段激光广泛用于光电对抗和红外制导等国防领域。此外,2μm波段激光还处于大气窗口和人眼安全波段,存在许多水吸收峰,同时还是某些特殊塑料材料的吸收峰,所以在很多研究领域有着重要的应用价值,如激光雷达,遥感探测,激光医疗以及特种材料切割、打标等。随着对中远红外波段应用领域研究的逐步加深,远距离大范围的光电对抗逐渐成为国防领域科研人员的研究重点,这就需要高功率泵浦源以适应新形势下对高功率中远红外激光的需求。鉴于此,本文致力于2μm高功率全光纤激光器的设计和搭建,期望为相关领域的研究和应用做出一定贡献。建立光纤激光器硅基铥离子准三能级速率方程理论模型。数值仿真并模拟了前向泵浦方式时,泵浦功率、前向激光和后向激光输出功率与增益光纤长度之间的关系。讨论了在不同泵浦,不同光纤掺杂浓度,不同激光增益损耗差时,激光输出功率与增益光纤长度的关系。设计并搭建基于25/250μm芯径掺铥全光纤激光器。对双光栅前、后向泵浦方式和单光栅前向泵浦方式的激光输出特性进行对比分析。采用芯径为25/400μm大模场面积掺铥光纤搭建高功率全光纤激光器。为了进一步提升激光器输出功率,对光纤激光放大器理论进行研究。建立了掺铥光纤放大理论模型,数值模拟在不同种子光注入和不同泵浦功率条件下,激光输出功率与掺杂光纤长度的关系。设计并搭建基于MOPA(Master Oscillator Power-Amplifier)结构的1.91μm和1.94μm全光纤激光放大器,并对光纤激光放大器增益饱和情况进行分析。最终,在1908.3nm处获得了152W,在1939.6nm处获得141W连续激光输出。对掺铥光纤放大2.05μm连续和脉冲激光进行实验研究,种子光采用空间耦合方式通过光纤端帽耦合进大模场面积掺铥光纤。连续模式下,激光斜率效率为17.7%;脉冲模式下,激光斜率效率在10%左右,且脉冲重复频率越高放大级斜率效率越高。在5k Hz时,获得最大17W的2.05μm激光输出。激光斜率效率为10.2%,脉冲宽度为24ns,单脉冲能量为3.4m J,峰值激光功率为142k W。同时,实验发现输出激光脉冲展宽与放大级光纤长度有关,大约每米展宽1.25ns。设计并搭建1.94μm光纤激光器泵浦Ho:YLF晶体实验光路,通过插入Cr2+:Zn S可饱和吸收体,进行激光被动调Q实验。测量了脉冲激光的平均功率,脉冲重复频率,脉冲宽度,单脉冲能量以及峰值功率与注入泵浦功率之间的关系。在18.7W注入泵浦功率下,获得6.03W脉冲激光输出,激光斜率效率为45.9%。激光输出波长为2050.1nm,光束质量因子M2为1.05。

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