基于非线性效应的1.7μm波段光纤激光器的研究

发布时间：2020-07-11 07:20

【摘要】：1.7μm波段光纤激光器在生物成像、激光医疗、特殊材料加工、有机物微量测量、中红外激光产生等领域有着巨大应用前景,已成为国内外的研究热点。本文借助光纤的非线性效应,设计并实验研究1.7μm波段的光纤激光器,主要内容可分为以下三个部分:(1)1.7μm波段增益谱的研究首先,从基于离子掺杂光纤和光纤非线性两方面研究了产生1.7μm波段增益谱的相关理论。分别分析了Bi~+、Tm~(3+)及铥钬、铥铽共掺光纤中离子的能级结构和光谱特性和基于不同泵浦源下产生增益谱的机理。其次,根据理论分析搭建了基于带通放大自发辐射(SS-ASE)光源作为泵浦源,通过非线性效应产生1.7μm波段增益谱的实验系统。经整形优化光谱后得到了20dB光谱范围1570.9-1710.5nm,峰值波长可调谐范围20nm,峰值功率-35dBm的光谱。此外,设计了基于级联调制器的皮秒脉冲泵浦源,并通过实验得到了1.7μm波段增益谱。当泵浦中心波长为1565nm,放大后光功率达到最大,此时得到20dB光谱范围1528.6-1910.4nm的最优增益光谱。(2)1.7μm波段连续激光器的实验研究理论分析了多种滤波器的滤波性能,而后基于上述ASE泵浦产生的增益谱,搭建环形腔光纤激光器,实现了1.7μm波段的可调谐窄线宽拉曼光纤激光器。实验结果显示,其单激光输出的中心波长可调谐范围为1652.1nm-1680.1nm,激光线宽0.0232nm。此外,通过增加泵浦光功率及调节偏振控制器(PC),可以获得最多四个波长的稳定多波长激光。(3)1.7μm波段皮秒脉冲激光器的实验研究基于上述皮秒脉冲泵浦产生的增益谱,再经过多次滤波后得到了调谐范围为1660.1nm-1703.7nm,脉宽大约为151ps的皮秒脉冲光信号。另外,设计并实验研究得到了基于单调制器的1.7μm波段可切换单/双脉冲皮秒脉冲源,通过调节调制器直流偏置切换单双脉冲形态。实验结果显示,其20dB光谱范围为1593.1nm-1925.9nm,峰值波长为1729.6nm。当泵浦源的重复频率从170MHz到2GHz时,对应双脉冲的脉宽在60ps到180ps之间。此外,还分析了不同重复频率下产生信号的噪声特性。所得的连续激光器作为中红外波段激光的泵浦源能够有效降低量子亏损;所得的皮秒脉冲激光器作为光学层析成像的光源可以提高成像的深度。以上研究内容对1.7μm波段光纤激光器的研究与应用具有重要意义。
【学位授予单位】：长春理工大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2019
【分类号】：TN248
【图文】：

吸收谱,散射谱,水分子,波段

光纤激光器技术受到了人们的重点关注。近几年，关于1.7μm波段光源的报道日益增多。因为1.7μm波段处于近红外波段的特殊位置，所以具有特殊的光谱特性。如图1.1所示，该波段位于两个水分子吸收峰之间的波谷，因此在生物组织中具有低瑞利散射特性，从而能够增强生物成像中的成像对比度。同时，对脂肪和胶原有较强的吸收作用。所以，被广泛应用于光声成像、光学相干层析成像(OCT)、激光探测等领域[1-6]。特殊的是1.7μm波段光源能够有效提升OCT的动态范围，以及减缓探测灵敏度随成像深度增加而呈现出的下降趋势。此外，该波段还涵盖了C-H 共价键的吸收峰，所以1.7μm波段光源在工业加工、有机物检测等领域[7-10]也得到了广泛应用。对于输出功率较大的1.7μm波段激光器可作用实现3-5μm波段等中红外激光器的泵浦源[11-12]。与其它泵浦波长(808nm，1.3μm)相比，1.7μm波段的泵浦能更容易产生4μm波段的激光并能降低量子亏损[13]。伴随着近些年通信领域的不断拓宽和发展

宽带光源,半峰全宽,增益谱

研究 1.7μm 波段的光纤激光器首先要研究其相应的增益谱。2006 年，D.Y. Sh人第一次测得 1.7μm 波段的增益光谱，从此 1.7μm 波段逐渐走入人们的视野，来越多的关注。刚开始大多实验组考虑利用泵浦掺杂光纤的方法来实现增益谱多是应用泵浦掺铥光纤或铥钬共掺光纤等，得到增益谱后再经过滤波来实现 1.段的增益光谱。但考虑到 1.7 μm 波段处于泵浦掺铥光纤产生增益谱的相对边缘经滤波后得到的增益谱不会具有很高的输出功率，而掺铋光纤是一种近几年才适用于 1.7μm 波段的掺杂光纤，不过掺铋光纤制备困难，造价昂贵。因此考虑产生 1.7μm 波段增益谱的方法基于非线性效应。通过 1550nm 光源泵浦非纤来实现，但由于转换效率低等原因，实现波长大于 1750nm 的激光输出较为困体增益谱的研究如下：2011 年，日本大阪大学 Takefumi Ohta 等人以中心波长 1560nm 的被动锁模纤激光器作为种子源，正色散高非线性光纤(ND-HNLF)作为增益介质，并添加纤（PMF）用以整形优化脉冲质量后，得到了谱宽为 358nm、输出光功率为 30 1.7μm 波段宽带光源[26]。其结构和输出光谱如图 1.2 所示。此外，该课题组依宽带光源进行了相关生物成像实验[26-28]。

宽带光源,半峰全宽,光子技术,波段

第 1 章绪论2012 年，韩国光子技术研究所 Byung Sup Rho 等人采用基于非线性效应的方法，通过 1550nm 波段大功率放大自发辐射(ASE)光源抽运非线性增益介质后获得输出功率为 500mW，谱宽为 210nm 的 1.7μm 波段宽带光源[29]。其结构和输出光谱如图 1.所示。

【参考文献】