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基于掺铥光纤激光器的柱矢量光产生研究

【摘要】:近年来,掺铥光纤激光器引起了越来越多研究团队的关注,该激光器能够产生2μm波长的激光,该波长位于“人眼安全”的波段,且2μm光谱带处在一个被称为“分子指纹区”的大气透明窗口,对大气的穿透能力强。相比于低波段的光纤激光器,掺铥光纤激光器在人眼手术、大气污染排放检测、激光雷达和空间通信等多个领域发挥着不可替代的作用。在此基础上,进一步地去研究2μm波段下的矢量光束,更加具有前瞻性意义。一方面组成矢量光束的矢量模式种类众多,对提升空间通信的传输容量有着巨大的帮助;另一方面矢量光束特别是非均匀偏振矢量光束能量分布的独特性以及偏振敏感性,能够大大地提高激光手术以及激光传感的精度与灵敏度。作为矢量光束中具有独特代表性的一种,柱矢量光在近段时间引起了学者们广泛的关注和研究。从横截面上看,柱矢量光的电场方向呈中心对称的分布,而电场强度呈圆环形分布,中心区域没有光强。正是因为这种结构特性,使得柱矢量光在激光加工,粒子操控等多个领域得到了广泛的应用。本文研究了利用基于耦合器结构的模式转换器件来产生柱矢量光,并且将柱矢量光与掺铥光纤激光器进行结合,提出了两种全光纤柱矢量掺铥光纤激光器,分别得到了连续多波长型和超快脉冲型柱矢量光的输出,主要研究内容如下:1、2μm波段光纤模式理论分析。从麦克斯韦方程组出发,分析了光纤中的模场理论和单模条件,从归一化截止频率的角度分析了光纤在不同波长下支持传输的模式数量,引入了有限元法(Finite element optical method,FEM)进行仿真验证,得到了在2μm波长下光纤中存在的模式种类,从而选出了能应用于2μm波段的单模光纤和少模光纤;依据耦合模理论分析了模式转换器的工作原理,利用FEM法计算得出了不同模式有效折射率数值随包层直径的变化曲线,从变化曲线中得到了满足相位匹配条件的光纤直径参数和模式转换器的制备要求。同时,在选定的光纤直径参数条件下,用光束传播法(Beam propagation method,BPM)进行仿真计算得到了单模光纤中基模和少模光纤中高阶模互相转化的动态过程,进一步验证了仿真所得到直径参数的科学性。基于仿真参数采用熔融拉锥工艺制作出了1900 nm波长下的高性能模式转换器。2、提出和研究了2μm波段多波长连续光柱矢量掺铥光纤激光器。利用Sagnac环型滤波器的滤波作用,对腔内波长进行滤波和选择,滤波器的自由光谱范围(Free spectral range,FSR)为4.99 nm时,通过调节腔内的偏振控制器,实现了三种单波长(1988.93 nm、1993.92 nm和1998.91 nm)、两种双波长(1988.93 nm和1993.92 nm、1993.92 nm和1998.91 nm)以及三波长(1988.93 nm、1993.92 nm、1998.91 nm)三种不同状态的连续型柱矢量光从同一掺铥光纤激光器中输出。3、提出和研究了锁模柱矢量掺铥光纤激光器。采用超高数值孔径光纤对掺铥光纤激光器进行色散补偿,将整个激光器的色散补偿到了正色散区域,此时激光器工作在耗散孤子锁模状态。结果表明:锁模脉冲光谱的中心波长位于1932.1 nm处,3 d B带宽为10.4 nm,脉冲重复频率为15.4 MHz,单个脉冲宽度1.84 ps。同时,通过频谱仪在1 Hz分辨率带宽下测得基频的信噪比为69.6 d B,验证了锁模状态的稳定性。在模式转换器的输出端,获得了高纯度的脉冲型柱矢量光。

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