面向2μm波段大功率光纖激光系統(tǒng)的高質(zhì)量多波長及脈沖激光種子源研究.pdf

1、2μm波段存在著性能優(yōu)良的大氣窗口，因而2μm波段空間光通信系統(tǒng)具有廣闊的應(yīng)用前景，在空間光通信網(wǎng)絡(luò)中，波分復(fù)用(wavelength division multiplexing，WDM)技術(shù)依然是未來發(fā)展的趨勢。在WDM系統(tǒng)中需要用到靈活選擇激光輸出波長和個數(shù)、波長間隔可調(diào)諧、高光束質(zhì)量和高穩(wěn)定性的多波長光纖激光器。同時，2μm波段存在著OH-強烈的吸收窗口，高功率脈沖激光的熱效應(yīng)可使人體組織產(chǎn)生凝固或汽化效應(yīng)，因此可作為激光手術(shù)刀應(yīng)

2、用于人體組織的切除或止血。空間光通信網(wǎng)絡(luò)和激光手術(shù)刀對2μm波段激光的功率和光束質(zhì)量要求越來越高，而主控振蕩器功率放大器(master oscillator power amplifier,MOPA)技術(shù)可以在高功率激光輸出的情況下保證優(yōu)良的激光光束質(zhì)量。本論文的研究工作主要集中MOPA系統(tǒng)用到的高質(zhì)量種子源方面，針對WDM系統(tǒng)需要的激光器，設(shè)計了波長可調(diào)諧、波長間隔可調(diào)和單偏振（single polarization，SP）輸出的雙波

3、長摻銩光纖激光器(thulium-doped fiber laser,TDFL)，設(shè)計了波長可選擇的多波長TDFL;針對激光手術(shù)刀需要的激光器，設(shè)計了類噪聲(noise like，NL)脈沖和SP脈沖TDFL，分別對多波長和脈沖TDFL的實現(xiàn)方式和輸出特性進行了詳細的研究和分析，主要研究內(nèi)容與創(chuàng)新點如下:
　　(1)對2μm波段均勻光纖光柵(uniform fiber Bragg grating，UFBG)、保偏光纖光柵(pola

4、rization maintaining fiber Bragg grating，PM-FBG)和保偏法布里一珀羅(polarization maintaining Fabry-Perot，PM-F-P)濾波器的濾波特性進行理論仿真，首次理論分析了在外力作用下，UFBG和PM-FBG中心波長漂移的特性，2μm波段UFBG的諧振波長與軸向應(yīng)力成正比，正比系數(shù)為0.15pm/με，當施加的軸向應(yīng)變?yōu)?500με時，PM-FBG的諧振波長可以

5、漂移3.83nm。
　　(2)提出一種基于級聯(lián)UFBG的波長間隔可調(diào)的雙波長TDFL結(jié)構(gòu)，利用非線性放大環(huán)形鏡(nonlinear amplifying loop mirror,NALM)抑制激光腔內(nèi)的模式競爭，獲得工作波長分別為1941.33nm和1941.72nm的雙波長激光輸出，兩個波長的光信噪比(optical signal-to-noise ratio，OSNR)均優(yōu)于56dB。通過應(yīng)力調(diào)節(jié)，可實現(xiàn)0～5.14nm的雙波

6、長激光間隔的調(diào)諧量;提出一種基于PM-FBG的可調(diào)諧雙波長TDFL結(jié)構(gòu)，獲得工作波長分別為1941.40nm和1942.21nm的雙波長激光輸出，兩個波長的OSNR均大于48dB。通過應(yīng)力調(diào)節(jié)，可以實現(xiàn)最大6.93nm的雙波長調(diào)諧量;提出一種基于PM-F-P濾波器的可切換雙波長TDFL結(jié)構(gòu)，獲得工作波長分別為1941.82nm和1942.21nm的雙波長激光輸出，兩個波長的OSNR均大于51dB?？梢詫崿F(xiàn)兩個偏振方向上的SP單波長激光輸

7、出，激光輸出的偏振消光比(polarization extinction ratio，PER)均高于33dB。
　　(3)提出一種基于非線性偏振旋轉(zhuǎn)(nonlinear polarization rotation，NPR)效應(yīng)和利奧(Lyot)濾波器的多波長TDFL結(jié)構(gòu)，在10dB帶寬范圍內(nèi)(1982nm～1998nm)該激光器可形成17個波長穩(wěn)定激射，且激射波長的OSNR達到35dB。利用長度分別為5m、4.22m和2.06m的

8、保偏光纖制作Lyot濾波器，實現(xiàn)波長間隔分別為0.975nm、1.16nm和2.38nm的多波長TDFL;提出一種基于NPR效應(yīng)和保偏薩格納克(polarization maintaining Sagnac，PM-Sagnac)環(huán)形鏡的多波長TDFL結(jié)構(gòu)，利用長度為150m的高非線性光纖增強激光腔內(nèi)的NPR效應(yīng)，在10dB光譜帶寬范圍內(nèi)(1990nm～2007.5nm)，實現(xiàn)了15個波長的穩(wěn)定激射，激射波長的OSNR可達到30dB;提出

9、一種基于全光纖型相位調(diào)制器和PM-Sagnac環(huán)形鏡的多波長TDFL結(jié)構(gòu)，通過優(yōu)化相位調(diào)制器加載正弦信號頻率，在15dB帶寬范圍內(nèi)(1982nm～1998nm)可實現(xiàn)10個波長同時激射，激光輸出的OSNR可達37dB。
　　(4)提出一種基于NALM的被動鎖模TDFL結(jié)構(gòu)，當泵浦光功率為2.98W時，NL脈沖的中心波長為1990.56nm、自相關(guān)信號尖峰寬度為518fs、脈沖能量為26.63nJ;提出一種基于NPR的被動鎖模TDF

10、L結(jié)構(gòu)，通過調(diào)整激光腔內(nèi)單模光纖的長度，從而優(yōu)化鎖模TDFL的色散，可實現(xiàn)NL鎖模脈沖激光輸出，其中心波長為2003.20nm、自相關(guān)信號尖峰寬度為406fs、脈沖能量為12.342nJ;提出一種混合鎖模脈沖TDFL結(jié)構(gòu)，當泵浦光功率為3.52W時，SPNL脈沖激光輸出的中心波長為2007.00nm、自相關(guān)信號尖峰寬度為258fs、脈沖能量為42.11nJ。
　　(5)提出一種基于PM-FBG和半導(dǎo)體可飽和吸收鏡的可切換SP雙波長