面向气体探测应用的窄线宽光纤激光器研究
发布时间：2021-12-02 19:28
窄线宽激光由于具有高光学相干性的特点,在激光雷达、光纤传感、气体探测及非线性频率转换等领域有着重要的应用价值。本论文以产生窄线宽、高功率、波长可调谐的近红外激光为目的,并以给近红外波段的气体探测提供可用的激光源为切入点展开,相继研究了基于稀土掺杂光纤和基于非线性原理的窄线宽光纤激光器,得到了一系列2 μm窄线宽光纤激光器和1.65μm窄线宽光纤激光器,弥补了这两个波段激光器现有的不足和空白。本论文首先阐述了2μm及1.65μm窄线宽激光在气体传感中的应用价值,并指出了现有相应激光器的不足之处,突出了在这两个波段开发新型窄线宽光纤激光器的必要性。随后简单介绍了激光的由来、光纤激光器的基本知识、包层泵浦和不同泵浦结构。接着,我们提出了基于光纤布拉格光栅和未泵浦掺铥光纤作饱和吸收体的高功率定波长单纵模掺铥光纤激光器,得到了功率大于400mW,线宽约为20kHz的1957nm单纵模激光输出。为增加激光器的波长调谐性,我们紧接着提出了基于法布里-珀罗腔原理可调谐滤波器的宽带可调谐单纵模掺铥光纤激光器,得到了波长可从1920nm调谐至2020 nm的单纵模激光输出,其线宽小于10 kHz。进一步,...
【文章来源】：浙江大学浙江省 211工程院校 985工程院校 教育部直属院校
【文章页数】：135 页
【学位级别】：博士
【部分图文】：
图１．１?２?ｐｍ波段各种气体分子吸收谱线［１°］
人??［２３］虽然开发了宽带可调谐的２?ｐｍ光纤激光器，但他们的激光器中没有特定的选模机制，??输出的激光运转在多纵模状态，不属于窄线宽激光。由此可见，能同时输出窄线宽激光且??波长大范围可调谐的２?ｐｍ光纤激光器仍处于未开发状态，这也是本论文要填补的空白。??虽然宽带可调谐的２?ｐｍ窄线宽光纤激光器可以满足多种气体分子的探测，但曱烷分??子在２?｜ａｍ波段的吸收系数较低，不易探测。甲烷是一种易燃易爆物质，又是加剧地球温??室效应的元凶之一，在某些场合非常有必要对其进行有效的探测。如图１．２所示［１Ｇ］，甲烷??分子在１．６５?ｐｍ波段的吸收系数比在２ｐｍ波段的更大，因此可用１．６５激光源探测。由??于１．６５?ｐｍ不在掺铒或掺铥石英光纤的荧光发射谱内，人们通常用半导体激光器来产生这??个波段的激光［２４＿２６］。但受限于制备工艺和技术等方面，目前商用的１．６５ｐｍ窄线宽半导体??激光器的输出功率最高不超过２０ｍＷ，这极大地限制了甲烷气体探测的距离和信噪比。另??外，Ｙ．Ｃｕｉ等人在充满氘气体的空芯光子晶体光纤中利用旋转受激拉曼散射效应实现了??从１．５?ｐｍ波段到１．７?ｐｍ波段的激光波长转换。虽然这种方法能产生１．６５?ｌａｍ波段的激光，??但其输出光斑质量较差，且要对氘气体做好专门的封闭处理，增加了系统的复杂性。因此，??针对甲烷气体的探测，使用方便的１．６５，ｕｍ高功率窄线宽激光源亟需开犮。??－２０?５３１６４?ｌｉｎｅＳ?ｉｃｈ，??１．５?１．６?１．７?１．８?１．９?２??ｗａｖｅｌｅｎｇｔｈ?（ｙｍ）??图１．２甲烷（ＣＨ４）分子在１．５－２叩１波段的吸收谱线［１Ｄ］。??综上所述，
?浙江大学博士学位论文???｜?Ｉ?Ｐｕｍｐ?⑷?｜??ｊ?Ｖ?ｒ－＇ＢＧ?广ｍ?ＰＢＧ??ＷＤＭ?卜?ｍｉｌｌ?ｍｉｎ?－？?Ｏｕｔｐｕｔ?｜??Ｇａｉｎ?ｍｅｄｉｕｍ??ｉｓｏ?Ｋ?（ｂ）?！??ｉ?／｛?ｊ?Ｇａｉｎ?ｍｅｄｉｕｍ?＼??！?［ｉｌ?、Ｐｉ?Ｉ??：?ｐｊ?ｙ?Ｐｊ?；??Ｐｕｍｐ?Ｊ?＼，?ｙ＼．??图１．３光纤激光器腔型：（ａ）线性谐振腔；（ｂ）环形谐振腔。??在光纤激光器中，常见的谐振腔有两种基本腔型，即线性谐振腔和环形谐振腔，如图??１．３?所示。这里?Ｐｕｍｐ、ＷＤＭ、ＦＢＧ、ＩＳＯ、Ｆｉｌｔｅｒ、０Ｃ?和?Ｇａｉｎｍｅｄｉｕｍ?分别表示泵浦、波??分复用器、光纤布拉格光栅、光隔离器、滤波器、光耦合器和增益介质。可以看到，与线??性谐振腔比，环形谐振腔的结构比较复杂，腔内的光学器件数目也比较多，这会引入更多??的光学损耗，使环形谐振腔的出光斜率效率相对较低。激光在这两种谐振腔中的运转模式??也是不同的：在线性谐振腔中，激光以驻波的形式振荡，而驻波会产生纵向的空间烧孔效??应，容易引起多纵模振荡或模式竞争，这时如果没有特定的选模措施，输出激光会变得不??稳定；但在环形谐振腔中，激光以行波的形式振荡，这样就避免了空间烧孔效应引起的激??光不稳定振荡问题。因此，这两种谐振腔都有各自的优缺点，只要利用好它们的优点，并??采用一些措施降低缺点带来的影响，它们都是有用武之地的。??在具备激光器三要素后，光波还要满足相位条件的和阈值条件，才能在谐振腔中振荡??并作为激光输出。所谓的相位条件指的是光波在腔内走一圈的总相移〇等于２；ｔ的整数倍，??设腔长为Ｉ，腔内有效折射率
【参考文献】：
期刊论文
[1]2μm激光前列腺剜除术治疗复发性前列腺增生的临床探讨[J]. 闫帅,李孝忠,杨巍,张赞,樊青春,程易为. 航空航天医学杂志. 2018(11)
[2]342W全光纤结构窄线宽连续掺铥光纤激光器[J]. 刘江,刘晨,师红星,王璞. 物理学报. 2016(19)
[3]基于高掺锗石英光纤的中红外超连续谱产生[J]. 朱磊,王鹿鹿,董新永,沈平,苏海斌. 光学学报. 2016(03)
[4]纵向空间烧孔对激光器特性的影响及其抑制(英文)[J]. 李洵. Science Bulletin. 2015(11)
[5]窄线宽光纤放大器中受激布里渊散射抑制研究进展[J]. 冉阳,王小林,粟荣涛,周朴,司磊. 激光与光电子学进展. 2015(04)
[6]A 1.65μm three-section distributed Bragg reflector（DBR） laser for CH4 gas sensors[J]. 牛斌,于红艳,余力强,周代兵,陆丹,赵玲娟,潘教青,王圩. Journal of Semiconductors. 2013(10)
[7]Eye-safe,single-frequency pulsed all-fiber laser for Doppler wind lidar[J]. 刘源,刘继桥,陈卫标. Chinese Optics Letters. 2011(09)
[8]应用于吸收型甲烷传感器的1650nm DFB激光器的研制[J]. 周宁,李林松,曹明德,黄晓东,王定理,于斌,郑光辉,董雷. 激光技术. 2011(03)
博士论文
[1]光纤光栅传感与光纤光栅激光器的应用研究[D]. 刘伟升.浙江大学 2011
硕士论文
[1]环形腔掺铒光纤激光器的研究和实现[D]. 杨柳.山东大学 2008
本文编号：3529053
【文章来源】：浙江大学浙江省 211工程院校 985工程院校 教育部直属院校
【文章页数】：135 页
【学位级别】：博士
【部分图文】：
图１．１?２?ｐｍ波段各种气体分子吸收谱线［１°］
人??［２３］虽然开发了宽带可调谐的２?ｐｍ光纤激光器，但他们的激光器中没有特定的选模机制，??输出的激光运转在多纵模状态，不属于窄线宽激光。由此可见，能同时输出窄线宽激光且??波长大范围可调谐的２?ｐｍ光纤激光器仍处于未开发状态，这也是本论文要填补的空白。??虽然宽带可调谐的２?ｐｍ窄线宽光纤激光器可以满足多种气体分子的探测，但曱烷分??子在２?｜ａｍ波段的吸收系数较低，不易探测。甲烷是一种易燃易爆物质，又是加剧地球温??室效应的元凶之一，在某些场合非常有必要对其进行有效的探测。如图１．２所示［１Ｇ］，甲烷??分子在１．６５?ｐｍ波段的吸收系数比在２ｐｍ波段的更大，因此可用１．６５激光源探测。由??于１．６５?ｐｍ不在掺铒或掺铥石英光纤的荧光发射谱内，人们通常用半导体激光器来产生这??个波段的激光［２４＿２６］。但受限于制备工艺和技术等方面，目前商用的１．６５ｐｍ窄线宽半导体??激光器的输出功率最高不超过２０ｍＷ，这极大地限制了甲烷气体探测的距离和信噪比。另??外，Ｙ．Ｃｕｉ等人在充满氘气体的空芯光子晶体光纤中利用旋转受激拉曼散射效应实现了??从１．５?ｐｍ波段到１．７?ｐｍ波段的激光波长转换。虽然这种方法能产生１．６５?ｌａｍ波段的激光，??但其输出光斑质量较差，且要对氘气体做好专门的封闭处理，增加了系统的复杂性。因此，??针对甲烷气体的探测，使用方便的１．６５，ｕｍ高功率窄线宽激光源亟需开犮。??－２０?５３１６４?ｌｉｎｅＳ?ｉｃｈ，??１．５?１．６?１．７?１．８?１．９?２??ｗａｖｅｌｅｎｇｔｈ?（ｙｍ）??图１．２甲烷（ＣＨ４）分子在１．５－２叩１波段的吸收谱线［１Ｄ］。??综上所述，
?浙江大学博士学位论文???｜?Ｉ?Ｐｕｍｐ?⑷?｜??ｊ?Ｖ?ｒ－＇ＢＧ?广ｍ?ＰＢＧ??ＷＤＭ?卜?ｍｉｌｌ?ｍｉｎ?－？?Ｏｕｔｐｕｔ?｜??Ｇａｉｎ?ｍｅｄｉｕｍ??ｉｓｏ?Ｋ?（ｂ）?！??ｉ?／｛?ｊ?Ｇａｉｎ?ｍｅｄｉｕｍ?＼??！?［ｉｌ?、Ｐｉ?Ｉ??：?ｐｊ?ｙ?Ｐｊ?；??Ｐｕｍｐ?Ｊ?＼，?ｙ＼．??图１．３光纤激光器腔型：（ａ）线性谐振腔；（ｂ）环形谐振腔。??在光纤激光器中，常见的谐振腔有两种基本腔型，即线性谐振腔和环形谐振腔，如图??１．３?所示。这里?Ｐｕｍｐ、ＷＤＭ、ＦＢＧ、ＩＳＯ、Ｆｉｌｔｅｒ、０Ｃ?和?Ｇａｉｎｍｅｄｉｕｍ?分别表示泵浦、波??分复用器、光纤布拉格光栅、光隔离器、滤波器、光耦合器和增益介质。可以看到，与线??性谐振腔比，环形谐振腔的结构比较复杂，腔内的光学器件数目也比较多，这会引入更多??的光学损耗，使环形谐振腔的出光斜率效率相对较低。激光在这两种谐振腔中的运转模式??也是不同的：在线性谐振腔中，激光以驻波的形式振荡，而驻波会产生纵向的空间烧孔效??应，容易引起多纵模振荡或模式竞争，这时如果没有特定的选模措施，输出激光会变得不??稳定；但在环形谐振腔中，激光以行波的形式振荡，这样就避免了空间烧孔效应引起的激??光不稳定振荡问题。因此，这两种谐振腔都有各自的优缺点，只要利用好它们的优点，并??采用一些措施降低缺点带来的影响，它们都是有用武之地的。??在具备激光器三要素后，光波还要满足相位条件的和阈值条件，才能在谐振腔中振荡??并作为激光输出。所谓的相位条件指的是光波在腔内走一圈的总相移〇等于２；ｔ的整数倍，??设腔长为Ｉ，腔内有效折射率
【参考文献】：
期刊论文
[1]2μm激光前列腺剜除术治疗复发性前列腺增生的临床探讨[J]. 闫帅,李孝忠,杨巍,张赞,樊青春,程易为. 航空航天医学杂志. 2018(11)
[2]342W全光纤结构窄线宽连续掺铥光纤激光器[J]. 刘江,刘晨,师红星,王璞. 物理学报. 2016(19)
[3]基于高掺锗石英光纤的中红外超连续谱产生[J]. 朱磊,王鹿鹿,董新永,沈平,苏海斌. 光学学报. 2016(03)
[4]纵向空间烧孔对激光器特性的影响及其抑制(英文)[J]. 李洵. Science Bulletin. 2015(11)
[5]窄线宽光纤放大器中受激布里渊散射抑制研究进展[J]. 冉阳,王小林,粟荣涛,周朴,司磊. 激光与光电子学进展. 2015(04)
[6]A 1.65μm three-section distributed Bragg reflector（DBR） laser for CH4 gas sensors[J]. 牛斌,于红艳,余力强,周代兵,陆丹,赵玲娟,潘教青,王圩. Journal of Semiconductors. 2013(10)
[7]Eye-safe,single-frequency pulsed all-fiber laser for Doppler wind lidar[J]. 刘源,刘继桥,陈卫标. Chinese Optics Letters. 2011(09)
[8]应用于吸收型甲烷传感器的1650nm DFB激光器的研制[J]. 周宁,李林松,曹明德,黄晓东,王定理,于斌,郑光辉,董雷. 激光技术. 2011(03)
博士论文
[1]光纤光栅传感与光纤光栅激光器的应用研究[D]. 刘伟升.浙江大学 2011
硕士论文
[1]环形腔掺铒光纤激光器的研究和实现[D]. 杨柳.山东大学 2008
本文编号：3529053
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