高功率全光纖中紅外超連續(xù)譜光源研究.pdf

1、2-5μm波段的中紅外超連續(xù)譜光源在基礎(chǔ)科學(xué)、環(huán)境監(jiān)測(cè)、生物醫(yī)療和國(guó)防安全等眾多領(lǐng)域都有著廣泛的應(yīng)用需求?；谌饫w結(jié)構(gòu)的中紅外超連續(xù)譜光源無分立元件、結(jié)構(gòu)緊湊、光束質(zhì)量好、易于維護(hù)，是國(guó)際上超連續(xù)譜光源研究的熱點(diǎn)之一。隨著摻銩光纖激光器的發(fā)展，采用2μm脈沖激光和摻銩光纖放大器作為泵浦源是中紅外超連續(xù)譜光源的發(fā)展趨勢(shì)，然而目前相關(guān)研究還處于起步階段，瓦量級(jí)輸出的研究報(bào)道仍然較少。本文對(duì)基于ZBLAN(ZrF4-BaF2-LaF3-Al

2、F3-NaF)氟化物光纖的高功率全光纖中紅外超連續(xù)譜光源展開全面系統(tǒng)的研究，并以2μm主振蕩功率放大器(MOPA)系統(tǒng)泵浦ZBLAN光纖獲得了高功率的中紅外超連續(xù)譜光源，論文的主要內(nèi)容包括：
　　1．回顧了超連續(xù)譜光源的發(fā)展歷史，介紹了中紅外超連續(xù)譜光源的應(yīng)用需求，討論了中紅外超連續(xù)譜產(chǎn)生的材料選擇，綜述了中紅外超連續(xù)譜光源的研究進(jìn)展。根據(jù)材料特點(diǎn)和研究現(xiàn)狀，確定軟玻璃光纖中制造工藝最為成熟的ZBLAN光纖為本文中紅外超連續(xù)譜產(chǎn)生

3、研究的非線性材料。
　　2．展開了中紅外超連續(xù)譜產(chǎn)生的數(shù)值研究。介紹了廣義非線性薛定諤方程的時(shí)域和頻率模型及其求解方法，分析了ZBLAN光纖的光學(xué)特性，包括光纖的色散、損耗、拉曼響應(yīng)函數(shù)和非線性系數(shù)等，討論了ZBLAN光纖的參數(shù)選擇，并數(shù)值研究了ZBLAN光纖中超連續(xù)譜的產(chǎn)生過程。對(duì)不同波長(zhǎng)和脈沖寬度的激光泵浦ZBLAN光纖產(chǎn)生超連續(xù)譜進(jìn)行了比較。數(shù)值結(jié)果表明，和1.55μm脈沖激光泵浦相比，2μm脈沖激光泵浦ZBLAN光纖有利于

4、提高中紅外超連續(xù)譜中長(zhǎng)波長(zhǎng)的功率比例；相同的峰值功率下，脈沖寬度越大輸出光譜的展寬效果越好。
　　3．研究了2μm脈沖激光的產(chǎn)生技術(shù)。獲得了2μm波段穩(wěn)定的半導(dǎo)體可飽和吸收鏡（SESAM）被動(dòng)調(diào)Q脈沖輸出，脈沖重復(fù)頻率可從20 kHz增加到80 kHz，同時(shí)脈沖的寬度可從1μs減小到362 ns。通過SESAM被動(dòng)鎖模技術(shù)，獲得了輸出波長(zhǎng)為1960 nm的皮秒脈沖?；趶?fù)合腔高重頻鎖模技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了重復(fù)頻率為100 MHz，脈沖寬度

5、為850 ps的1960 nm鎖模脈沖。首次分析了基于超連續(xù)譜光源的2μm脈沖激光的形成過程，并基于超連續(xù)譜光源獲得了中心波長(zhǎng)為1957.8 nm的脈沖序列。
　　4．成功研制出光譜覆蓋2-2.5μm波段的高功率超連續(xù)譜光源。以SESAM被動(dòng)鎖模的2μm皮秒脈沖激光為種子源，通過MOPA系統(tǒng)進(jìn)行功率放大，在大模場(chǎng)面積摻銩光纖放大器中實(shí)現(xiàn)了平均功率為62.1 W的超連續(xù)譜。超連續(xù)譜的輸出光譜覆蓋1.9-2.7μm，如果忽略輸出光譜在

6、1960 nm附近的信號(hào)峰，對(duì)應(yīng)的10 dB光譜范圍約為1945-2579 nm。62.1 W的平均輸出功率為目前該波段超連續(xù)譜光源的最高功率，最后一級(jí)放大器中泵浦光到超連續(xù)譜輸出的光-光轉(zhuǎn)換效率為39.8％，平均功率和轉(zhuǎn)換效率均為國(guó)際上已公開報(bào)道的最高值。
　　5．研究了1550 nm納秒脈沖放大系統(tǒng)泵浦ZBLAN光纖的中紅外超連續(xù)譜產(chǎn)生，獲得了平均功率為304 mW，輸出光譜覆蓋1.5-3μm的超連續(xù)譜。為提高中紅外超連續(xù)譜的

7、輸出性能，在鉺/鐿共摻光纖放大器后連接了銩/鈥共摻光纖放大器和摻銩光纖放大器進(jìn)一步提高2μm波段的脈沖功率，然后泵浦ZBLAN光纖獲得了高平坦度的中紅外超連續(xù)譜，這是國(guó)內(nèi)首次實(shí)現(xiàn)輸出光譜擴(kuò)展到3μm以上的中紅外超連續(xù)譜光源的實(shí)驗(yàn)研究。所獲得的超連續(xù)譜光源輸出光譜覆蓋1.9-4.3μm，平均輸出功率為185 mW。
　　6．基于2μm MOPA系統(tǒng)，通過級(jí)聯(lián)超連續(xù)譜產(chǎn)生的方式，在單模ZBLAN光纖中先后實(shí)現(xiàn)了平均功率為1 W、7.1