脉冲光纤激光器和放大器技术的研究

论文摘要

高功率、大能量的脉冲光纤激光器以其诸多优点被认为是未来脉冲激光器的发展趋势,目前在很多领域已经开始逐渐取代传统激光器。因此,有目的的研究脉冲光纤激光器对促进我国军事、工业、医学等领域的发展有着重要的意义。本论文首先研究了短脉冲在光纤激光器中的产生,并且对作为种子光的脉冲调制半导体激光器进行了实验研究。在此基础上,采用MOPA技术通过光纤放大器将种子光放大从而获得高功率的脉冲激光输出。最后对高峰值功率的激光脉冲在传输光纤和光纤放大器中产生的非线性现象作了系统的实验研究和理论分析。本论文的主要工作和创新结果包括以下几个方面:1.报道了基于光纤耦合声光调制器的环形腔全光纤主动调Q激光器。激光器采用掺Yb3+光纤作为增益介质,其输出激光脉冲十分稳定,重复频率在200Hz～60.9kHz连续可调谐,激光器输出波长为1030nm,最大的峰值功率为2.7W,最窄脉冲宽度为53.2ns。采用国产的半导体可饱和吸收体镜在双包层掺Yb3+光纤中实现了稳定的被动调Q激光输出,激光器输出的脉冲宽度为3.148μs,脉冲重复频率为29.4kHz,单脉冲能量为0.636μJ。2.对大信号直接调制和增益开关半导体激光器进行了实验研究。对线宽为1.64MHz,波长为1548nm的DFB半导体激光器进行大信号直接调制,获得脉冲宽度为3.3ns～200ns,重复频率为30kHz～50MHz连续可调谐的矩形脉冲输出。增益开关半导体激光器采用线宽为10MHz、波长为1064nm的外腔FBG半导体激光器,获得了脉宽为186ps,重复频率为1kHz～120MHz可调谐的脉冲输出。3.采用MOPA技术,对大信号直接调制半导体激光器输出的纳秒脉冲进行了多级放大,功率放大器采用了单模纤芯的Er:Yb共掺双包层光纤,获得了最高单脉冲能量为25μJ,脉冲宽度为3.3ns,中心波长为1548nm的高能量脉冲输出。4.提出了通过掺Yb3+光纤放大器的增益补偿效应将注入皮秒信号光光谱进行整形并展宽的方法。实验中,通过该方法将光谱宽度为7nm的锯齿形信号光展宽并整形为20nm的矩形光谱输出。5.设计并完成了基于增益开关半导体激光器的高功率宽带可调谐的皮秒脉冲MOPA光纤激光器。整个激光器分为第一次预放大、可调谐滤波、第二次预放大、二级功率放大等几部分。预放大器采用单模掺Yb3+光纤作为增益介质,自行研制了光纤耦合、线宽可调的可调谐滤波器用于光谱可调谐输出,两级功率放大器分别采用大模场面积掺Yb3+双包层光纤和掺Yb3+双包层光子晶体光纤。最终获得了平均功率为6.8W,调谐带宽为20nm（1053nm～1073nm）,脉冲宽度为80ps,重复频率为1MHz的单模激光脉冲输出。6.对光纤放大器中出现的四种非线性效应:四波混频（FWM）、自相位调制（SPM）、受激拉曼散射（SRS）、受激布里渊散射（SBS）进行了理论分析和实验研究,这将对高功率光纤放大器的设计提供有力的支持。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第一章 绪论
• 1.1 引言
• 1.2 光纤激光器的研究意义
• 1.2.1 光纤激光器的特点
• 1.2.2 光纤激光器的应用价值
• 1.3 光纤激光器的研究进展
• 1.4 包层抽运激光技术的简介
• 1.5 脉冲光纤激光器和放大器的研究进展
• 1.6 本文研究的主要内容和思想
• 参考文献
• 第二章 光纤调Q激光器的实验及理论研究
• 2.1 引言
• 2.2 光纤调Q激光器的理论
• 2.2.1 调Q激光器的基本原理
• 2.2.2 光纤调Q激光器的一般理论
• 2.3 全光纤声光调Q激光器的实验研究
• 2.3.1 声光调Q的基本原理
• 2.3.2 实验装置
• 2.3.3 实验结果及分析
• 2.4 半导体可饱和吸收体镜（SESAM）调Q的一般理论
• 2.4.1 SESAM的基本结构及特性
• 2.4.2 SESAM的调Q原理和实现调Q的条件
• 2.5 SESAM调Q光纤激光器的实验研究
• 2.5.1 实验装置
• 2.5.2 实验结果及分析
• 2.6 结论
• 参考文献
• 第三章 作为种子光源的脉冲调制半导体激光器的研究
• 3.1 引言
• 3.2 半导体激光器的工作原理及基本特性
• 3.2.1 粒子数反转和光增益
• 3.2.2 半导体激光器的阈值条件
• 3.2.3 增益与电流密度的关系
• 3.2.4 注入电流与输出光功率
• 3.2.5 常见半导体激光器的种类
• 3.3 半导体激光器的瞬态特性
• 3.3.1 速率方程
• 3.3.2 瞬态特性
• 3.4 半导体激光器的调制特性
• 3.4.1 小信号调制特性
• 3.4.2 大信号调制特性
• 3.4.3 增益开关
• 3.5 短脉冲调制半导体激光器的实验研究
• 3.5.1 窄脉冲驱动的研制
• 3.5.2 大信号直接调制半导体激光器的实验
• 3.5.3 增益开关半导体激光器的实验
• 3.6 结论
• 参考文献
• 3+光纤放大器的研究'>第四章 窄线宽脉冲掺Er³⁺光纤放大器的研究
• 4.1 引言
• 3+光纤放大器的基本理论'>4.2 掺Er³⁺光纤放大器的基本理论
• 3+光纤的能级结构及跃迁特性'>4.2.1 掺Er³⁺光纤的能级结构及跃迁特性
• 3+光纤放大器的速率方程'>4.2.2 掺Er³⁺光纤放大器的速率方程
• 3+光纤放大器的功率传输方程'>4.2.3 掺Er³⁺光纤放大器的功率传输方程
• 3+光纤放大器的数值模'>4.3 掺Er³⁺光纤放大器的数值模
• 3+光纤放大器的瞬态增益特性'>4.4 掺Er³⁺光纤放大器的瞬态增益特性
• 3+光纤放大器的实验研究'>4.5 窄线宽纳秒脉冲掺Er³⁺光纤放大器的实验研究
• 4.5.1 实验装置
• 4.5.2 实验结构及分析
• 4.6 结论
• 参考文献
• 3+全光纤激光器'>第五章 高功率宽带可调谐皮秒脉冲掺Yb³⁺全光纤激光器
• 5.1 引言
• 3+光纤放大器的基本理论'>5.2 掺Yb³⁺光纤放大器的基本理论
• 3+光纤的能级结构及跃迁特性'>5.2.1 掺Yb³⁺光纤的能级结构及跃迁特性
• 3+光纤的速率方程和传输方程'>5.2.2 掺Yb³⁺光纤的速率方程和传输方程
• 5.3 光谱的增益补偿放大
• 5.4 皮秒激光脉冲的连续可调谐
• 5.5 对放大皮秒脉冲光谱底座的消除
• 5.6 功率放大器
• 5.7 结论
• 参考文献
• 第六章 脉冲光纤放大器中的非线性效应
• 6.1 引言
• 6.2 四波混频（FWM）
• 6.2.1 四波混频的基本理论
• 6.2.2 四波混频的实验研究
• 6.3 自相位调制（SPM）)
• 6.3.1 自相位调制的基本理论
• 6.3.2 自相位调制的实验研究
• 6.4 受激拉曼散射（SRS）
• 6.4.1 受激拉曼散射的基本理论
• 6.4.2 受激拉曼散射的实验研究
• 6.5 受激布里渊散射（SBS）
• 6.5.1 受激布里渊散射的基本理论
• 6.5.2 受激布里渊散射的实验研究
• 6.6 结论
• 参考文献
• 总结和展望
• 博士期间完成的论文
• 致谢