高性能大功率kHz线宽单频光纤激光器及其倍频应用研究

发布时间：2020-08-22 16:27

【摘要】：大功率窄线宽单频光纤激光作为光纤激光领域的一个重要发展方向,在功率水平和线宽特性方面具有独特优势,使其在光纤传感、激光测距、高精度光谱学、非线性频率转换、相干合束等领域有着重要应用。基于种子源主振荡功率放大(MOPA)结构,获得高性能大功率窄线宽单频激光输出,成为当前研究热点。此外,基于准相位匹配的倍频技术,是实现单频绿光激光输出的有效途径。本论文基于自制窄线宽单频激光种子源,利用MOPA结构进行窄线宽单频激光放大,再结合外腔二次谐波产生(SHG)倍频方式,实现了一系列高性能大功率k Hz线宽单频激光输出,具体研究内容和取得的研究成果如下:(1)设计和构建了厘米量级DBR结构磷酸盐光纤激光谐振腔,进行了不同波段k Hz线宽单频激光种子源实验研究,通过优化磷酸盐光纤使用长度和采取ASE抑制措施,直接从谐振腔内分别获得了百毫瓦量级1.0μm波段和1.5μm波段的线偏振单频激光输出,其信噪比大于70 d B、偏振消光比大于30 d B和激光线宽为千赫兹量级,详细分析与讨论了单频激光种子源的输出特性。(2)基于粒子速率方程和功率传输方程组,分别建立了铒/镱共掺和掺镱光纤放大理论模型。模拟与分析了激光系统中信号功率、信号波长、泵浦功率、泵浦波长等参数对MOPA单频光纤激光输出性能的影响,为MOPA单频光纤激光结构设计与优化提供了理论支持与指导。(3)使用1535 nm单频激光种子源和短Er3+/Yb3+共掺磷酸盐光纤,进行了纤芯泵浦超紧凑MOPA单频激光实验。研究发现:MOPA激光器的信噪比和相对强度噪声略有劣化,但线宽没有出现明显展宽。实验获得了功率611 m W和线宽小于2 k Hz的单频激光输出,单位长度输出功率达到150 m W/cm。使用1560 nm线偏振单频激光种子源和Er3+/Yb3+共掺保偏双包层光纤,进行了包层泵浦一级MOPA单频激光实验。研究发现:通过有效地抑制受激布里渊散射(SBS)和管理不必要耦合光,提高了激光系统的SBS阈值、稳定性和可靠性。实验获得了功率10.9 W、线宽小于3.5 k Hz、偏振消光比大于24 d B、信噪比大于70 d B的单频激光输出。(4)使用1014 nm单频激光种子源和掺Yb3+磷酸盐光纤,进行了纤芯泵浦高效率与高信噪比MOPA单频激光理论与实验研究。研究发现,4.0 cm长度MOPA激光器的转换效率和信噪比最优。实验获得了功率1059 m W、光-光转换效率81.4%、信噪比大于62 d B的单频激光输出。使用1083 nm线偏振单频激光种子源和掺Yb3+单包层保偏光纤,进行了纤芯泵浦高信噪比保偏MOPA单频激光实验。研究发现:增加种子源的信号功率和直接滤除ASE光,可以提高MOPA激光器的信噪比。实验获得了功率1.03 W、信噪比大于70 d B、偏振消光比大于25 d B的保偏MOPA单频激光输出。使用1064 nm线偏振单频激光种子源和两级掺Yb3+双包层保偏光纤放大器,进行了大功率线偏振MOPA单频激光实验。研究发现,通过有效管理ASE与抑制SBS,提高了激光系统的信噪比和SBS阈值。实验获得了功率41 W、线宽小于6 k Hz、相对强度噪声小于-140 d B/Hz、偏振消光比大于22 d B的单频激光输出。(5)基于自制的1064 nm连续单频光纤激光器,进行了不同晶体的外腔单晶体单程倍频实验,对比与分析了其SH输出功率和转换效率。实验发现:单一周期钽酸锂(LT)晶体的转换效率较高,进一步增加基频光功率和有效管理热效应,可以继续提高SH输出功率。实验获得了SH功率6.4 W、转换效率29.8%、相对强度噪声小于-140 d B/Hz的单频532 nm(绿光)激光输出。使用两种LT晶体进行了外腔双晶体级联倍频实验,研究表明:晶体级联方式可以提高SH输出功率和转换效率,实验获得了SH转换效率约34.4%。使用单一周期LT晶体进行了脉冲单频激光外腔单程倍频实验,研究表明:通过增加基频光峰值功率,可以进一步提高其转换效率。在重复频率10 k Hz和脉宽80 ns条件下,实验获得了SH转换效率最高约42.1%。
【学位授予单位】：华南理工大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2015
【分类号】：TN248

【参考文献】