掺铒氟化物光纤实现3μm中红外波段调Q和锁模脉冲的研究

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中红外(MIR)激光在军事对抗、生物医疗、气体传感和光谱学等诸多领域有着重要应用。近年来,随着氟化物光纤拉制技术的成熟,中红外波段(2-5μm)的光纤激光器也蓬勃发展,2.8μm和3.5μm两个重要波长更是被着重研究。其中,中红外连续波光纤激光器的功率不断提升,而中红外脉冲激光器的研究仍然有发展的空间。但是就目前来说,产生中红外脉冲激光的手段依旧有限。本文基于中红外脉冲光纤激光器的应用需求和技术研究中的问题,结合传统的可饱和吸收体脉冲产生方式并着眼于新型的中红外同步泵浦锁模方法,进行中红外脉冲光纤激光器的研究,研究内容如下:1.概括了中红外激光在军事、民生医疗和科研领域的主要用途,并且着重阐述了2.8μm与3.5μm波长中红外脉冲光纤激光器的发展概况。介绍目前可用于产生中红外脉冲的方式,主要涉及可饱和吸收体(SAs)调Q和锁模机理。提出利用同步泵浦锁模技术实现中红外脉冲光纤激光器。2.研究适用于中红外波段的SAs材料,主要涉及较为新颖的金属锑(Sb)材料和传统的单壁碳纳米管(SWCNTs)材料。以Sb材料为可饱和吸收体,基于磁控溅射沉积法(MSD)制备了Sb-SAM,实现了基于掺铒ZBLAN的2.8μm中红外调Q光纤激光器,获得最大输出功率为59.0 m W,最大重复频率为57.0 k Hz,最窄脉冲宽度为1.7μs,最高单脉冲能量为1.03μJ的2.8μm调Q脉冲激光输出。通过滴涂的方式,制备了SWCNT可饱和吸收镜(SAM),进而实现了3.5μm中红外锁模光纤激光器,最终获得输出功率25.0 m W,重复频率25.2 MHz,脉冲宽度约1 ps(傅里叶变化极限脉宽),单脉冲能量为0.98 n J的3469.7 nm锁模脉冲激光输出。3.以1.5μm脉冲激光同步泵浦掺Tm3+光纤,基于较为常见的全光纤结构,验证线型腔中红外激光同步泵浦锁模脉冲产生的可行性。以1.5μm电调制半导体激光器作为种子源,通过三级放大,实现了脉冲宽度为3 ns,输出功率最大为1.5 W的1.5μm脉冲激光。以此为泵浦源实现了2μm线型腔同步泵浦锁模脉冲,最大输出功率为150 m W,重复频率为7.454 MHz,脉冲宽度为3 ns,中心波长为1955.8 nm,这是首次实现基于2μm线型腔的同步泵浦锁模光纤激光器。4.在2μm同步泵浦锁模光纤激光器实现的基础上,提出了基于同步泵浦锁模的3.5μm光纤激光器方案。以1973 nm电调制半导体激光器为种子源,通过多级功率放大,得到脉冲宽度为3.3 ns,最大输出功率为8 W的1970.8 nm脉冲激光,进而泵浦掺Er3+:ZBLAN光纤。最终实现了最大输出功率为120 m W,重复频率为22.382 MHz,脉冲宽度为10 ns的中红外3462.2 nm锁模脉冲激光输出。这是首次实现的3.5μm同步泵浦锁模光纤激光器,通过实验证明了同步泵浦锁模技术在2μm乃至3.5μm波长的适用性与普遍性。
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