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《北京交通大学》 2017年
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面向2μm波段大功率光纤激光系统的高质量多波长及脉冲激光种子源研究

刘硕  
【摘要】:2 μm波段存在着性能优良的大气窗口,因而2μm波段空间光通信系统具有广阔的应用前景,在空间光通信网络中,波分复用(wavelength division multiplexing,WDM)技术依然是未来发展的趋势。在WDM系统中需要用到灵活选择激光输出波长和个数、波长间隔可调谐、高光束质量和高稳定性的多波长光纤激光器。同时,2 μm波段存在着OH-强烈的吸收窗口,高功率脉冲激光的热效应可使人体组织产生凝固或汽化效应,因此可作为激光手术刀应用于人体组织的切除或止血。空间光通信网络和激光手术刀对2μm波段激光的功率和光束质量要求越来越高,而主控振荡器功率放大器(master oscillator power amplifier,MOPA)技术可以在高功率激光输出的情况下保证优良的激光光束质量。本论文的研究工作主要集中MOPA系统用到的高质量种子源方面,针对WDM系统需要的激光器,设计了波长可调谐、波长间隔可调和单偏振(single polarization,SP)输出的双波长掺铥光纤激光器(thulium-doped fiber laser,TDFL),设计了波长可选择的多波长TDFL;针对激光手术刀需要的激光器,设计了类噪声(noise like,NL)脉冲和SP脉冲TDFL,分别对多波长和脉冲TDFL的实现方式和输出特性进行了详细的研究和分析,主要研究内容与创新点如下:(1)对 2 μm 波段均匀光纤光栅(uniform fiber Bragg grating,UFBG)、保偏光纤光栅(polarization maintaining fiber Bragg grating,PM-FBG)和保偏法布里—珀罗(polarizationmaintaining Fabry-Perot,PM-F-P)滤波器的滤波特性进行理论仿真,首次理论分析了在外力作用下,UFBG和PM-FBG中心波长漂移的特性,2 μm波段UFBG的谐振波长与轴向应力成正比,正比系数为0.15 pm/με,当施加的轴向应变为2500με时,PM-FBG的谐振波长可以漂移3.83 nm。(2)提出一种基于级联UFBG的波长间隔可调的双波长TDFL结构,利用非线性放大环形镜(nonlinear amplifying loop mirror,NALM)抑制激光腔内的模式竞争,获得工作波长分别为1941.33 nm和1941.72 nm的双波长激光输出,两个波长的光信噪比(optical signal-to-noise ratio,OSNR)均优于56 dB。通过应力调节,可实现0~5.14 nm的双波长激光间隔的调谐量;提出一种基于PM-FBG的可调谐双波长TDFL结构,获得工作波长分别为1941.40 nm和1942.21 nm的双波长激光输出,两个波长的OSNR均大于48 dB。通过应力调节,可以实现最大6.93 nm的双波长调谐量;提出一种基于PM-F-P滤波器的可切换双波长TDFL结构,获得工作波长分别为1941.82 nm和1942.21 nm的双波长激光输出,两个波长的OSNR均大于51 dB。可以实现两个偏振方向上的SP单波长激光输出,激光输出的偏振消光比(polarization extinction ratio,PER)均高于 33 dB。(3)提出一种基于非线性偏振旋转(nonlinear polarization rotation,NPR)效应和利奥(Lyot)滤波器的多波长TDFL结构,在10 dB带宽范围内(1982 nm~1998 nm)该激光器可形成17个波长稳定激射,且激射波长的OSNR达到35 dB。利用长度分别为5 m、4.22 m和2.06 m的保偏光纤制作Lyot滤波器,实现波长间隔分别为0.975 nm、1.16nm和2.38nm的多波长TDFL;提出一种基于NPR效应和保偏萨格纳克(polarization maintaining Sagnac,PM-Sagnac)环形镜的多波长 TDFL结构,利用长度为150 m的高非线性光纤增强激光腔内的NPR效应,在10 dB光谱带宽范围内(1990nm~2007.5 nm),实现了 15个波长的稳定激射,激射波长的OSNR可达到30 dB;提出一种基于全光纤型相位调制器和PM-Sagnac环形镜的多波长TDFL结构,通过优化相位调制器加载正弦信号频率,在15 dB带宽范围内(1982nm~1998nm)可实现10个波长同时激射,激光输出的OSNR可达37dB。(4)提出一种基于NALM的被动锁模TDFL结构,当泵浦光功率为2.98 W时,NL脉冲的中心波长为1990.56 nm、自相关信号尖峰宽度为518 fs、脉冲能量为26.63 nJ;提出一种基于NPR的被动锁模TDFL结构,通过调整激光腔内单模光纤的长度,从而优化锁模TDFL的色散,可实现NL锁模脉冲激光输出,其中心波长为2003.20nm、自相关信号尖峰宽度为406fs、脉冲能量为12.342nJ;提出一种混合锁模脉冲TDFL结构,当泵浦光功率为3.52 W时,SPNL脉冲激光输出的中心波长为2007.00 nm、自相关信号尖峰宽度为258 fs、脉冲能量为42.11 nJ。(5)提出一种基于PM-FBG和半导体可饱和吸收镜的可切换SP双波长脉冲TDFL结构。双波长脉冲激光的工作波长为1940.97 nm和1941.73 nm,脉冲激光输出的OSNR为57.36 dB。SP单波长激光脉冲宽度分别为3.75 ps和3.73 ps。
【学位授予单位】:北京交通大学
【学位级别】:博士
【学位授予年份】:2017
【分类号】:TN248

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