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1030nmDBR单频光纤激光器关键技术的研究

【摘要】:由于单频光纤激光器在激光雷达、干涉检测、光谱学、激光医学和相干通信等方面越来越多的广泛应用,逐渐引起了科研工作者的广泛关注。近年来,随着掺杂多组分玻璃光纤技术的不断发展,短直腔结构的单频光纤激光器已成为激光器领域的研究热点,尤其是分布布拉格反射式(Distributed Bragg Reflector-DBR)结构的短腔光纤激光器,采用紧凑的全光纤结构,更有利于实现窄线宽、低噪声。本论文采用DBR短腔结构,采用石英玻璃基底、高掺杂Yb~(3+)增益光纤,分别以前向和后向泵浦方式,实现了输出波长为1030nm的单频激光输出,并对其输出进行了功率放大研究。主要的研究内容及成果如下:根据Yb~(3+)能级速率方程,模拟计算了分别在前向、后向泵浦方式下,线性腔DBR掺镱光纤激光器输出功率沿增益光纤长度的分布,讨论了激光器的输出功率、泵浦阈值和斜率效率与增益光纤长度的关系。在此基础上,又对前向泵浦掺镱光纤放大器的输出特性进行了理论研究,分别分析讨论了不同泵浦波长、种子光功率和泵浦光功率条件下放大输出功率与增益光纤长度的关系。在前向泵浦方式下,采用1.9cm的高浓度掺Yb~(3+)增益光纤,构建了输出波长为1030nm、有效腔长为2.8cm的DBR短腔光纤激光器,并对其进行了系统的实验研究。通过对该光纤激光器全反光纤光栅(HR-FBG)和耦合输出保偏光纤光栅(PMOC-FBG)进行精确温控,利用减小腔内有效增益带宽的方法,实现了单纵模运转。当HR-FBG和PMOC-FBG的温度分别为43.5℃和9℃时,该单频光纤激光器的最大输出功率为134m W,其斜效率为27.1%,激光线宽为9.5k Hz。同时,测量了实现单纵模输出情况下,HR-FBG的温度范围为42.6~46℃。此外,分别采用残余泵浦光放大和主振荡功率放大方式对该单频激光输出进行放大。在两种功率放大方式情况下,当放大增益光纤分别为7.5cm和14.5cm时,得到最大输出功率为分别为246m W和452m W,斜效率为50.1%和78.1%,放大后的线宽为12.6k Hz。接着,对该1030nm短腔DBR单频光纤激光器在后向泵浦方式下的运转情况也进行了实验研究。当PMOC-FBG温度控制在9℃、HR-FBG温度控制在43.4℃时,该光纤激光器实现了单纵模输出。当泵浦功率为451m W时,得到最大输出功率为126m W,其斜效率为28%,激光输出线宽为9.6k Hz。同时,还测得实现该激光器单纵模运转的情况下,HR-FBG温度的变化范围为42.2℃~46.3℃。此外,采用主振荡功率放大的方式对该单频光纤激光器进行放大研究。当增益光纤为14.5cm时,得到最大输出为455m W,其斜效率为75.8%,放大后的激光线宽为12.1k Hz。

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