【摘 要】
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中红外激光在国防、激光手术、材料加工和光谱学等许多领域有着重要的应用。生物组织、有机化合物和聚合物等大量物质在中红外波段都有着强烈的吸收。尤其是在3-5μm波段的激光,因为有大气透射窗口的存在,在通信、光电对抗和遥感等应用上具有独特的优势。近年来,中红外氟化物光纤激光器迅速发展,凭借其光束质量高、体积小、转换效率高、散热效果好等优点而广受关注。氟化物光纤激光器是一种极具竞争力的中红外激光光源。本文
【机 构】
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中国科学院大学(中国科学院长春光学精密机械与物理研究所)
【出 处】
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中国科学院大学(中国科学院长春光学精密机械与物理研究所)
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中红外激光在国防、激光手术、材料加工和光谱学等许多领域有着重要的应用。生物组织、有机化合物和聚合物等大量物质在中红外波段都有着强烈的吸收。尤其是在3-5μm波段的激光,因为有大气透射窗口的存在,在通信、光电对抗和遥感等应用上具有独特的优势。近年来,中红外氟化物光纤激光器迅速发展,凭借其光束质量高、体积小、转换效率高、散热效果好等优点而广受关注。氟化物光纤激光器是一种极具竞争力的中红外激光光源。本文以铒掺杂的氟化物(Er3+:ZBLAN)光纤激光器为研究对象,开展功率提升的相关研究。首先,本文介绍了中红外激光的应用场景及这些应用对于激光源的要求,总结了产生中红外激光的方法,说明了氟化物光纤激光器的优势。介绍了氟化物光纤激光器的研究进展,并着重综述本文研究的2.8μm和3.5μm Er3+:ZBLAN光纤激光器的发展历程和前沿进展。其次,本文基于速率方程对2.8μm Er3+:ZBLAN光纤激光器进行了数值模拟。将传统的四能级模型扩展到八能级,并对模型求解效率进行了优化。通过数值模拟优化了光纤的长度、纤芯直径、腔面反射率、掺杂浓度等参数,为实现大功率氟化物光纤激光器起到指导作用。对3.5μm Er3+:ZBLAN光纤激光器也进行了数值模拟和模型优化,并针对双波长泵浦结构纤芯耦合困难的问题,提出了双波长包层泵浦结构。通过数值模拟分析了双波长包层泵浦实现的可能性,并给出了相关参数优化。基于速率方程求解结果,改进了Er3+:ZBLAN光纤激光器热传导方程的求解方法,并建立了热模拟模型,为Er3+:ZBLAN光纤激光器的散热设计奠定理论基础。然后,从实验上对连续输出的氟化物光纤激光器的功率提升进行了研究。通过散热与干燥结构的机械设计,搭建了被动散热的小型化连续输出的2.8μm Er3+:ZBLAN光纤激光器,其长宽高分别为300 mm、290mm和120 mm,输出功率为4.63 W,光光转换效率为25.2%。通过双向泵浦结构搭建了3.5μm Er3+:ZBLAN光纤激光器,其输出功率为2.32 W,光光转换效率为10.33%。之后,通过光谱合束（SBC）的方法将多个光纤激光器的输出合为一束来提升功率。根据几何光学和波动光学理论推导了SBC的外腔耦合效率和输出激光的光束质量,从理论角度揭示了SBC在中红外波段的应用难点。基于理论分析对2.8μm Er3+:ZBLAN光纤激光器SBC进行了原理验证性实验,通过望远系统的使用压缩了光谱、提升了光束质量,并最终实现了三个光纤激光器的SBC,连续输出功率为2.14 W,合束效率68%,光谱宽度6.4 nm,光束质量M~2在x、y方向上分别为2.3和2.0。对实现高功率、高效率、高扩展性的氟化物光纤激光器SBC给出了基于理论和实验的改进方法。最后,通过脉冲输出的方法提升Er3+:ZBLAN光纤激光器的峰值功率。从材料热损伤的角度,改进了光路和可饱和吸收体（SA）的衬底材料,用二维Mo S2SA实现了平均功率超过1 W,峰值功率5.5 W的2.8μm调Q Er3+:ZBLAN光纤激光器。与过去报道的基于Mo S2的2.8μm调Q激光器相比,平均功率提升了6倍以上,峰值功率提升了122%;从改进材料的角度,通过气相沉积的方式制作了Mn掺杂的纳米Fe3O4 SA,基于该SA实现了平均功率774 m W,峰值功率5.1W的2.8μm调Q Er3+:ZBLAN光纤激光器。与未掺杂Mn的SA相比,输出功率提高了6倍,损伤阈值提升了1倍以上;从可调光谱的应用需求出发,搭建了光谱可调的2.8μm调Q Er3+:ZBLAN光纤激光器。其光谱调谐范围为2710-2810nm。在中心波长处实现了平均功率188 m W,峰值功率1.27 W的调Q脉冲,与过去报道的3μm波段可调波长调Q激光器相比,平均功率和峰值功率分别提升了69%和76%。该激光器在2760 nm波长下还可以实现被动锁模脉冲,其平均功率为295 m W。
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