【摘要】：大功率窄線寬單頻光纖激光作為光纖激光領(lǐng)域的一個重要發(fā)展方向,在功率水平和線寬特性方面具有獨特優(yōu)勢,使其在光纖傳感、激光測距、高精度光譜學(xué)、非線性頻率轉(zhuǎn)換、相干合束等領(lǐng)域有著重要應(yīng)用�；诜N子源主振蕩功率放大(MOPA)結(jié)構(gòu),獲得高性能大功率窄線寬單頻激光輸出,成為當前研究熱點。此外,基于準相位匹配的倍頻技術(shù),是實現(xiàn)單頻綠光激光輸出的有效途徑。本論文基于自制窄線寬單頻激光種子源,利用MOPA結(jié)構(gòu)進行窄線寬單頻激光放大,再結(jié)合外腔二次諧波產(chǎn)生(SHG)倍頻方式,實現(xiàn)了一系列高性能大功率k Hz線寬單頻激光輸出,具體研究內(nèi)容和取得的研究成果如下:(1)設(shè)計和構(gòu)建了厘米量級DBR結(jié)構(gòu)磷酸鹽光纖激光諧振腔,進行了不同波段k Hz線寬單頻激光種子源實驗研究,通過優(yōu)化磷酸鹽光纖使用長度和采取ASE抑制措施,直接從諧振腔內(nèi)分別獲得了百毫瓦量級1.0μm波段和1.5μm波段的線偏振單頻激光輸出,其信噪比大于70 d B、偏振消光比大于30 d B和激光線寬為千赫茲量級,詳細分析與討論了單頻激光種子源的輸出特性。(2)基于粒子速率方程和功率傳輸方程組,分別建立了鉺/鐿共摻和摻鐿光纖放大理論模型。模擬與分析了激光系統(tǒng)中信號功率、信號波長、泵浦功率、泵浦波長等參數(shù)對MOPA單頻光纖激光輸出性能的影響,為MOPA單頻光纖激光結(jié)構(gòu)設(shè)計與優(yōu)化提供了理論支持與指導(dǎo)。(3)使用1535 nm單頻激光種子源和短Er3+/Yb3+共摻磷酸鹽光纖,進行了纖芯泵浦超緊湊MOPA單頻激光實驗。研究發(fā)現(xiàn):MOPA激光器的信噪比和相對強度噪聲略有劣化,但線寬沒有出現(xiàn)明顯展寬。實驗獲得了功率611 m W和線寬小于2 k Hz的單頻激光輸出,單位長度輸出功率達到150 m W/cm。使用1560 nm線偏振單頻激光種子源和Er3+/Yb3+共摻保偏雙包層光纖,進行了包層泵浦一級MOPA單頻激光實驗。研究發(fā)現(xiàn):通過有效地抑制受激布里淵散射(SBS)和管理不必要耦合光,提高了激光系統(tǒng)的SBS閾值、穩(wěn)定性和可靠性。實驗獲得了功率10.9 W、線寬小于3.5 k Hz、偏振消光比大于24 d B、信噪比大于70 d B的單頻激光輸出。(4)使用1014 nm單頻激光種子源和摻Y(jié)b3+磷酸鹽光纖,進行了纖芯泵浦高效率與高信噪比MOPA單頻激光理論與實驗研究。研究發(fā)現(xiàn),4.0 cm長度MOPA激光器的轉(zhuǎn)換效率和信噪比最優(yōu)。實驗獲得了功率1059 m W、光-光轉(zhuǎn)換效率81.4%、信噪比大于62 d B的單頻激光輸出。使用1083 nm線偏振單頻激光種子源和摻Y(jié)b3+單包層保偏光纖,進行了纖芯泵浦高信噪比保偏MOPA單頻激光實驗。研究發(fā)現(xiàn):增加種子源的信號功率和直接濾除ASE光,可以提高MOPA激光器的信噪比。實驗獲得了功率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單頻激光輸出。使用1064 nm線偏振單頻激光種子源和兩級摻Y(jié)b3+雙包層保偏光纖放大器,進行了大功率線偏振MOPA單頻激光實驗。研究發(fā)現(xiàn),通過有效管理ASE與抑制SBS,提高了激光系統(tǒng)的信噪比和SBS閾值。實驗獲得了功率41 W、線寬小于6 k Hz、相對強度噪聲小于-140 d B/Hz、偏振消光比大于22 d B的單頻激光輸出。(5)基于自制的1064 nm連續(xù)單頻光纖激光器,進行了不同晶體的外腔單晶體單程倍頻實驗,對比與分析了其SH輸出功率和轉(zhuǎn)換效率。實驗發(fā)現(xiàn):單一周期鉭酸鋰(LT)晶體的轉(zhuǎn)換效率較高,進一步增加基頻光功率和有效管理熱效應(yīng),可以繼續(xù)提高SH輸出功率。實驗獲得了SH功率6.4 W、轉(zhuǎn)換效率29.8%、相對強度噪聲小于-140 d B/Hz的單頻532 nm(綠光)激光輸出。使用兩種LT晶體進行了外腔雙晶體級聯(lián)倍頻實驗,研究表明:晶體級聯(lián)方式可以提高SH輸出功率和轉(zhuǎn)換效率,實驗獲得了SH轉(zhuǎn)換效率約34.4%。使用單一周期LT晶體進行了脈沖單頻激光外腔單程倍頻實驗,研究表明:通過增加基頻光峰值功率,可以進一步提高其轉(zhuǎn)換效率。在重復(fù)頻率10 k Hz和脈寬80 ns條件下,實驗獲得了SH轉(zhuǎn)換效率最高約42.1%。
【學(xué)位授予單位】：華南理工大學(xué)
【學(xué)位級別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2015
【分類號】：TN248

【參考文獻】

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1 鄭瑤雷;Er～（3+）/Yb～（3+）共摻包層泵浦光纖激光器和放大器的理論和實驗研究[D];中國科學(xué)院研究生院（西安光學(xué)精密機械研究所）;2003年

本文編號：2800891