中红外新型可饱和吸收材料调Q及增益调制光纤激光器

发布时间：2020-08-14 13:39

【摘要】：中红外脉冲光纤激光器由于其光束质量好、散热性好、单色性好等一些列显著优势,在生物医学、空间遥感、工业加工、国防军工等领域有着广泛的应用前景。本文基于Ho~(3+)、Pr~(3+)共掺氟化物光纤,研究分析了中红外被动调Q脉冲光纤激光器相关特性,并且分别利用三种材料作为新型真实可饱和吸收体,在3μm波段实现了被动调Q脉冲激光输出;此外,基于掺Er~(3+)氟化物光纤搭建了中红外增益调制脉冲光纤激光器,研究分析了增益调制脉冲激光器的机理。本论文的主要工作可以分为以下几点:1.基于掺Ho~(3+)氟化物光纤,Ho~(3+)、Pr~(3+)共掺氟化物光纤与掺Er~(3+)氟化物光纤,分别建立速率方程、功率耦合方程等相关理论模型,同时在此基础上,建立了基于真实可饱和吸收体的被动调Q激光模型。通过数值模拟,得到了光纤长度、光纤掺杂浓度对激光器性能影响的趋势;此外还得到了被动调Q脉冲激光特性随着泵浦功率变化的趋势。通过相关理论的研究分析,我们对实验中所采用的光纤长度、掺杂浓度进行了优化,并对实验方案起到了关键性的指导作用。2.在Ho~(3+)、Pr~(3+)共掺氟化物光纤激光器系统中,分别以Bi_2O_2Se、掺Al ZnO(AZO)、Sb三种材料作为可饱和吸收体,首次在3μm波段实现了被动调Q脉冲激光输出:(a)基于Bi_2O_2Se制作空间可饱和吸收体,得到了脉冲宽度最窄2μs,重复频率最高62.5 kHz,输出平均功率最高21.5 mW,中心波长2860.4 nm的被动调Q激光脉冲。(b)基于AZO制作空间可饱和吸收体,得到了脉冲宽度最窄1.77μs,重复频率最高71.43 kHz,输出平均功率最高26.9 mW,中心波长位于2864.2 nm的被动调Q激光脉冲。(c)基于Sb制作空间可饱和吸收体,得到了脉冲宽度最窄1.74μs,重复频率最高119 kHz,输出平均功率最高80 mW,中心波长位于2895.1 nm的被动调Q激光脉冲。3.基于掺Er~(3+)氟化物光纤,实现了3μm波段信噪比高、稳定性好的增益调制脉冲激光输出。本着单一变量原则,分别以泵浦激光脉冲宽度、重复频率、峰值功率为变量,得到了3μm增益调制激光脉冲。在此基础上,我们从各自相应的角度分析了“多产一”、“一产一”、“一产多”等相关实验结果,得到了一系列结论,对增益调制光纤激光器机理有了进一步了解。实验中,我们得到了输出平均功率241.2mW,峰值功率5.27 W,脉冲能量12.06μJ,脉冲宽度2.29μs,重复频率20 kHz,中心波长2875.5 nm的稳定增益调制激光脉冲,信噪比高达62.7 dB。
【学位授予单位】：电子科技大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：TN248
【图文】：

示意图,能级,示意图,粒子数

因此光纤在工作状态下发热量也较小，同时实验成相关理论具有重要意义。 Ho3+氟化物光纤激光器的理论模型 2-1 所示，是掺 Ho3+氟化物光纤激光器系统中能级示意图。H光作用下通过基态吸收（GSA）作用激发到5I6能级，而在泵浦光6能级上的粒子数不断堆积，形成粒子数反转，此时5I6能级上的，2.9 μm 的激光输出便是在此过程中产生。在激发态吸收（E级上的粒子数跃迁至5I4能级，减少了5I7能级上粒子数，因此的产生。而在另一激发态吸收（ESA2）作用下,5I6能级上粒子跃S2上，导致5I6能级上粒子数较小，显然这不利于 2.9μm 激光的温下，上能级5I6上粒子寿命为 3.5 ms，远小于下能级5I7上粒不利于 2.9μm 激光的输出。而在双包层光纤中，ESA 作用不明上转换（ETU）作用显著[84]。其中，ETU1过程消耗了下能级5I7

能级图,能级,氟化物光纤,激光

第二章掺 Ho3+和掺 Er3+氟化物光纤激光器的理论研究时抑制 2.1μm 级联激光的输出。然而，ET1过程也抑制了 Ho3+中的 ETU1过程，但总体而言在低浓度 Ho3+、Pr3+共掺氟化物光纤中，ET1作用明显强于 ETU1作用，因此在用于产生 3 μm 波段激光时。Ho3+、Pr3+共掺氟化物光纤相较于掺 Ho3+氟化物光纤具有光光转化效率较高的优势。

示意图,能级,示意图,激光

浦光的持续激励下，与下能级4I13/2形成粒子数反转，高能级4向4I13/2能级跃迁，2.8μm 激光输出就是产生于该过程；而由于级联上的粒子跃迁至基态4I15/2，该过程中产生了 1.6 μm 级联激光输下，2.8μm 激光上能级4I11/2吸收泵浦光能量，跃迁至4F7/2能级， 2.8μm 激光上能级粒子数，因此阻碍了 2.8μm 激光的输出。值得Ho3+氟化物光纤中类似的，掺 Er3+氟化物光纤中，2.8μm 激光下能大约 9 ms，大于上能级4I11/2粒子寿命 6.9 ms，随着时间的积累与升，这将最终导致 2.8 μm 激光跃迁自终止，很明显这将成为限制的瓶颈。而 ETU1过程不仅消耗了 2.8 μm 激光下能级4I13/2上粒子的粒子数中一半跃迁至高能级4I9/2上，而该能级上粒子数会因为4I11/2能级上，这一过程显然有助于 2.8μm 激光的输出。此外，与光器系统中类似的，在掺 Er3+氟化物光纤激光器系统中同样存在着这一过程，基态4I15/2上粒子将跃迁至4I13/2上，同时高能级2H11/2至能级4I9/2。

【参考文献】