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基于新型结构的长波长中红外光纤激光器

【摘要】:~3μm波段的中红外激光在国防、医学、环保等方向具有广泛的应用前景,引起了人们浓厚的兴趣。相比于连续和锁模光纤激光器,~3μm波段的调Q光纤激光器可以提供ns或ms脉冲持续时间的能量,在某些特殊应用中是理想的,例如气体传感,塑料和聚合物加工,激光手术刀,无创医学诊断,红外对抗和激光雷达。本文主要研究基于Ho~(3+)/Pr~(3+)共掺和掺Dy~(3+)氟化物(ZBLAN)光纤的被动调Q脉冲光纤激光器,具体研究内容如下:1.我们对Ho~(3+)/Pr~(3+)共掺ZBLAN光纤内产生~3μm激光的跃迁经过进行了详细分析,并且建立了基于Ho~(3+)/Pr~(3+)共掺ZBLAN光纤的被动调Q速率方程。经过数值仿真分析,我们优化光纤长度以及稀土掺杂离子浓度来实现高斜率效率、低激光阈值的激光器,此外还分析脉冲输出特性(重频、脉冲宽度)随泵浦功率的函数关系。当光纤长度为5 m,Ho~(3+)和Pr~(3+)离子掺杂浓度分别为3 mol.%和0.25 mol.%时,可以实现斜率效率和激光阈值分别为32.6%和162.6 mW的光纤激光器。为后续被动调Q Ho~(3+)/Pr~(3+)共掺ZBLAN光纤激光器的实验进行理论指导。2.在数值仿真的基础上,我们搭建了基于金纳米棒(GNR)的Ho~(3+)/Pr~(3+)共掺ZBLAN光纤激光器。实验中采用长度为5.2 m,掺Ho~(3+)、Pr~(3+)离子浓度分别为3mol.%和0.25 mol.%的ZBLAN光纤,利用1150 nm激光二极管(LD)作为泵浦源,GNR可饱和吸收体(SA)作为脉冲调制器件。在激励源源功率最大为244.7mW时,得到输出功率最高为20 mW的调Q脉冲,其工作波长为2.868μm,最大重复频率和最小脉冲宽度分别为55.5 kHz和2.12μs。3.为了更好地调制~3μm脉冲,通过改变GNR种子生长过程获得纵横比为~20的大长径比金纳米棒(LAR-GNR),并基于LAR-GNR搭建了可调谐Ho~(3+)/Pr~(3+)共掺ZBLAN光纤激光器。其中,波长调谐器件为平面闪耀光栅。我们分析了体系输出脉冲特性(重频,脉冲宽度)随泵浦源功率以及波长变化的函数关系,在泵浦功率最大为307.2 mW时,波长调谐范围为2834.5~2881.0 nm,输出功率最大为30.8 mW,其最大重复频率和最小脉冲宽度分别为78.12 kHz和2.18μs。4.首先从Dy~(3+)离子在~3μm的发射截面出发分析其长波长宽带调谐的可能性。实验中利用1100 nm LD作为激励源,平面光栅为波长调谐器件,宽带半导体可饱和吸收镜(SESAM)作为脉冲调制器件以及长度为1.2 m、掺Dy~(3+)离子浓度为0.1mol.%的ZBLAN光纤,获得最大输出功率为171.3 mW的调谐脉冲,其调谐范围2854 nm~2995.6 nm(141.6 nm),是迄今最宽范围的~3μm被动调Q调谐脉冲。

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