单光纤光栅线形腔2μm光纤激光器特性研究.pdf

摘要

2μm波段处于人眼安全范围和大气窗口，也处于某些特殊塑料材质的吸收峰，

在医疗手术、雷达探测、塑料焊接和光电对抗等多个领域有着广泛的应用。在光纤

激光器中，铥与钬两种稀土掺杂离子的发射波长位于1.9~2.1μm，掺铥激光器又可以

作为掺钬激光器的泵浦源。同时铥钬级联激光器也是中红外3~5μm波段的光学参量

振荡器的理想泵浦源之一。光纤激光器相较于固体激光器，采用石英玻璃材料作为

传输波导，在散热性、集成性、灵活性、转换效率、功率提升等各方面均具有显著

的优点。

传统光纤激光器谐振腔需要高反射率和低反射率两个光栅，本实验为了获得更

大的输出功率和更高的斜率效率，利用激光正入射在垂直切割的光纤端面时存在的

菲涅耳效应(反射率3.3%)代替低反射率光纤光栅(反射率5~10%)，使输出激光的谱宽

和透过率得到增加，进而增加输出功率，斜率效率也会随之提升。基于上述内容，

本论文设计并搭建了一台单光栅、高效率的连续掺铥光纤激光器。获得理想数据后，

更换光栅并使用相同结构的掺铥激光器，继续搭建了一台Ho:GdVO4固体激光器。

本论文的具体工作如下：使用MATLAB对考虑交叉弛豫的准三能级速率方程进行求

解，获得了泵浦光和信号光在光纤上的功率分布关系；使用MATLAB对光纤内的温

度分布进行数值仿真，为实验中温度是否会导致光纤损伤提供理论依据。设计并搭

建的单光纤光栅的连续掺铥光纤激光器在最大泵浦功率75W下，获得最高37.5W的

连续激光输出，中心波长为1942.25nm，半高全宽为194pm；使用二色镜和包层光剥

离器对残余的泵浦光进行过滤，激光器的斜率效率高达62.64%，使用刀口法测得信

号光的光束质量因子M2为1.51。搭建的Ho:GdVO4固体激光器在连续输出模式下，

中心波长2048.53nm处得到最大6.1W的连续输出功率，斜率效率为24.3%，半高全

宽为0.2nm，光束质量因子M2为1.01，接近衍射极限。

关键词：掺铥光纤激光器；连续光；高斜率效率；单光纤光栅

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目录

摘要I

目录I

插图索引I

插表索引I

第1章绪论1

1.1研究背景及目的意义1

1.1.1光纤激光器的发展历史1

1.1.22微米激光的优点和应用前景2

1.22微米光纤激光器的研究现状4

1.2.1国内研究现状4

1.2.2国外研究现状9

1.3.3研究现状总结13

1.3本论文的主要内容14

第2章连续掺铥光纤激光器基本理论和传输模型16

2.1铥离子基本性质16

2.2光纤谐振腔理论17

2.3能级泵浦方式21

2.4激光传输模型建立与求解22

2.4.1速率方程建立22

2.4.2速率方程求解25

2.5本章小结30

第3章连续掺铥光纤激光器数值仿真和热效应分析31

3.1输出特性仿真与分析31

3.1.1泵浦光和信号光沿光纤长度分布31

3.1.2最佳光纤长度与掺杂浓度间关系33

3.1.3斜率效率沿光纤长度上分布34

3.1.4信号光功率与泵浦光填充因子间关系35

3.2光纤热效应分析35

3.2.1掺铥增益光纤热源模型36

3.2.2掺铥增益光纤温度分布模型37

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3.2.3掺铥增益光纤温度分布仿真分析38

3.3本章小结41

第4章单光纤光栅2微米激光器实验研究42

4.1单光栅掺铥光纤激光器系统搭建42

4.2数据测量与分析43