高功率掺铥光纤放大器中受激布里渊散射效应研究

近年来随着对单频光纤激光器和放大器研究的不断深入,得到了越来越高的输出功率,由于单频光纤激光器、放大器的输出功率在很大程度上受限于受激布里渊散射(SBS)效应,故需要研究SBS效应的影响因素和抑制方法。利用铥离子(Tm3+)的速率方程和SBS效应下双包层光纤放大器的速率方程,建立了单频光纤放大器的理论模型,计算得到了掺铥光纤放大器的能量分布和输出功率,并讨论了光纤长度、抽运功率、Tm3+掺杂浓度、增益光纤内温度分布等因素对单频光纤放大器中SBS效应和输出功率的影响,总结了在提高放大器输出功率的同时有效抑制SBS效应的方法。自行搭建了全光纤掺铥光纤种子光源及放大器,高稳定性的全光纤掺铥激光种子光的中心波长为1941 nm,信噪比约为60 d B。当掺铥放大器的抽运功率达到2.15 W时,激光的输出功率可以达到0.766 W。     

2.0μm波段掺铥连续单频光纤激光器的研究进展

介绍了2.0μm波段掺铥连续单频光纤激光器的实验研究进展,以实现单频光纤激光器的关键技术为主线,总结了不同腔结构掺铥单频光纤激光振荡器的研究现状与发展方向。基于种子源主振荡功率放大(MOPA)结构进行了单频激光器功率放大,介绍了高功率掺铥单频光纤MOPA激光器的国内外研究进展。此外,介绍了本课题组在高掺杂铥锗酸盐玻璃光纤制作,2.0μm波段单频光纤激光振荡器构建,以及单频激光功率放大方面的部分研究工作。     

高温气相掺杂法制备高掺铥石英光纤

介绍了用高温气相掺杂技术制备高掺铥双包层光纤的原理及制备工艺。通过料路温度与掺杂浓度的对比实验,以及对该新制备工艺的研究完善,找到了合适的料路温度,提高了铥的掺杂浓度和掺杂浓度的均匀性,新工艺有效消除了预制棒芯部的凹陷,降低了光纤的本底损耗,最终制作出掺杂浓度高(≥0.6%)、内包层形状为D形的高性能的掺铥双包层光纤。     

S波段光纤放大器的研究

文章介绍了掺铥光纤放大器(TDFA)和增益位移掺铥光纤放大器(GS-TDFA)的基本工作原理.分析了不同的泵浦波长选择.随后,作者提出了一种使用半导体激光器泵浦两级高掺杂掺铥光纤的增益位移放大器方案.采用此方案的光纤放大器在30 nm工作带宽上光增益大于20 dB,饱和输出功率大于17 dBm,噪声指数为5.9～6.2 dB.     

稀土离子掺杂飞秒光纤激光器最新进展

光纤激光器可分为基于非线性效应的光纤激光器和基于稀土离子受激辐射的掺杂光纤激光器。按照掺杂元素的不同,光纤激光器可以分为掺镱、掺铒、掺铥和掺镨等光纤激光器。针对稀土掺杂飞秒光纤激光器的最新研究进展进行了分析和总结,并给出了各种飞秒光纤激光器的优缺点和未来需要解决的问题,为稀土掺杂飞秒光纤激光器的优化设计提供参考。     

33.8W高效率中红外2.8μm光纤激光器

为了提升中红外光纤激光器的功率和效率,基于掺铒氟化物光纤的高效热管理技术、高性能中红外光纤端帽制备技术和高功率泵浦激光的高效耦合技术,利用高功率976 nm半导体激光器,单端泵浦8 m长、掺杂铒离子的摩尔分数为7%的氟化物增益光纤,实现了33.8 W的中红外2.8μm激光输出,据我们所知,这是单端泵浦中红外光纤激光器的最高功率水平,此时激光器的光光转换效率达26.4%。     

基于稀土掺杂石英光纤的单频光纤激光器

系统研究了利用稀土掺杂的石英光纤作为激光增益介质来实现分布布拉格反射式单频光纤激光器。实验中,分别将掺有Nd3+、Yb3+、Er3+/Yb3+和Tm3+的商用石英光纤,熔接到激光谐振腔中,实现了基于石英玻璃光纤的光纤激光系统在多波段的单纵模运转。对各光纤激光器的单频特性进行了研究,其中,激光器线宽可达几十千赫（特别是对于Er3+/Yb3+共掺光纤激光器,其线宽窄于7 kHz）,激光系统的强度噪声接近于散粒噪声极限,实验中获得了激光波长由930 nm到2m的单频光纤激光器。实验结果证明:商用的稀土掺杂石英光纤能够作为有效的增益介质来实现短腔型单频光纤激光器。同时,通过进一步的系统集成,基于稀土掺杂石英光纤的单频光纤激光器将得到更加广泛的应用。     

MCVD工艺沉积温度对有源光纤掺杂浓度的影响研究

以掺镱双包层光纤为例,主要介绍了用MCVD工艺及溶液掺杂法制备掺稀土离子有源光纤,通过对低温沉积疏松芯层时温度控制对最终研制的有源光纤镱离子掺杂浓度的影响研究,得出沉积温度对有源光纤掺杂浓度影响的规律,为目前国内普遍采用的MCVD工艺结合溶液掺杂技术制备掺稀土离子有源光纤提供了参考.     

基于增益开关技术的全光纤结构纳秒脉冲掺铥光纤激光器

工作在2μm波段的脉冲掺铥光纤激光器,可望在遥感探测、相干雷达、空间光通信、激光医疗和特种材料加工等领域获得重要应用。目前,利用波长在1.55μm附近的脉冲掺铒光纤激光器作泵浦源的增益开关掺铥光纤激光器是实现全光纤结构纳秒脉冲掺铥光纤激光器的理想方式之一。采用实验研发的纳秒脉冲掺铒激光器作种子源,研制了全光纤MOPA(masteroscillator power amplifier)结构的纳秒脉冲掺铒光纤激光器,输出波长1 547 nm,脉冲频率100 kHz,脉冲宽度50 ns,平均功率1 W,单脉冲能量10μJ。使用该脉冲掺铒光纤激光器抽运掺铥光纤,实现了波长1 963 nm的增益开关脉冲激光输出。该掺铥光纤激光器为全光纤结构,重复频率100 kHz,最小脉宽47 ns,最大单脉冲能量100 nJ。激光输出稳定可靠,更高的单脉冲能量,平均功率和峰值功率可由进一步级联光纤放大器实现。     

210W全光纤结构单频、单偏振掺铥光纤激光器

<正>近年来,随着高亮度半导体抽运源输出功率的提高以及大模场面积双包层掺铥光纤的出现,连续掺铥光纤激光器输出功率已经达到了千瓦量级,已广泛应用于激光医疗等领域,然而在激光雷达、中红外非线性频率转换等领域,迫切需要窄线宽输出的单频掺铥光纤激光器。最近,本课题组研制出了全光纤主振荡功率放大(MOPA)结构的平均输出功率为210 W的单频、单偏振连续     

碱金属碱土金属对Yb3+掺杂硅酸盐激光玻璃的物理和光学特性影响

高功率掺杂光子晶体光纤激光器受到国内外研究者的广泛关注,应用于掺杂光子晶体光纤纤芯的掺杂玻璃制备成为自主拉制掺杂光子晶体光纤,进而实现高功率激光器的国产化基础问题之一。通过高温熔融工艺制备了Yb3+掺杂浓度相同、基质碱金属和碱土金属成分不同的硅酸盐玻璃,计算并分析了碱金属、碱土金属对玻璃样品的物理性质、光谱性质和激光特性的影响。结果表明:Yb3+-SiO2-Li2O-MgO-CaO-BaO-Al2O3多组分硅酸盐玻璃是优质的Yb3+掺杂光子晶体光纤的纤芯材料之一,为后期制备双包层Yb3+掺杂光子晶体光纤激光器的纤芯材料提了供理论和实验依据。     

掺铒镉铝硅酸盐玻璃的Judd-Ofelt理论分析与光谱特性

以掺杂光子晶体光纤为介质的光纤激光器一直受到科研工作者的广泛关注,应用于光子晶体光纤纤芯的掺稀土元素玻璃的制备成为研制掺杂光子晶体光纤的关键问题。利用高温熔融工艺制备掺铒镉铝重金属硅酸盐玻璃样品,测试了其吸收光谱、荧光光谱和荧光寿命。采用Judd-Ofelt理论,计算了样品的强度参数t（t=2,4,6）以及铒离子的理论和实验振子强度、自发辐射几率、荧光分支比和荧光辐射寿命等参数,利用测得的荧光光谱计算了铒离子能级4I13/24I15/2的受激发射截面及荧光半高宽。结果表明:掺铒镉铝重金属硅酸盐玻璃具有较大的受激发射截面和比较宽的荧光半高宽,量子效率较高,达92.6%,与相关文献中的铒掺杂玻璃相比,具有良好的激光激发性能,有望在研制掺杂光子晶体光纤中得到应用。     

Tm-doped mode-locked fiber lasers

Ultrashort pulse fiber lasers are increasingly used in various areas for scientific as well as industrial purposes. In contrast to ultrashort pulse lasers based on ytterbium- and erbium-doped fibers, the dispersion of silica fibers in the amplification band of thulium-doped fibers around 2 μm is typically anomalous, which has fundamental impact on the pulse propagation. In this paper, mode-locked thulium-doped fiber lasers operating in different pulse propagation schemes are presented. The transfer of various concepts into the 2 μm wavelength range, which have been successfully applied for pulse parameter scaling in the 1 and 1.5 μm spectral region, are discussed on the basis of experimental and numerical results.     

Efficient thulium-doped 2-/spl mu/m germanate fiber laser

We report an efficient fiber laser operating near 2 /spl mu/m. The glass for the fiber is germanate that is highly doped with thulium. The effect of cross relaxation energy transfer between thulium ions as observed from emission spectrum of the glass samples results in the laser having a very high slope efficiency of 58% with respect to launched power. This corresponds to a quantum efficiency of 1.79, indicating that each pump photon leads to near 1.8 excited Tm/sup 3+/ ions.     

掺镱光子晶体光纤纤芯材料制备及光纤数值模拟

基于掺镱多组分玻璃光子晶体光纤具有较高的离子掺杂浓度和大的受激发射截面以及宽的发射带宽,同时能够允许更高的泵浦功率密度和工作温度,因此其非常适合于作为高功率光纤激光器的增益材料.通过对采用高温熔融法研制的一种掺镱硅酸盐光子晶体光纤新材料的物理性能及光谱性能进行的测试,其较大的受激发射截面和较长的荧光寿命的特性得以验证.以其作为光子晶体光纤的纤芯,设计出了纤芯为正六边形掺镱光子晶体光纤,并利用有限元理论等模拟软件对设计的光纤结构进行了数值模拟,实验研究和数值模拟结果均表明该材料非常适合作为光子晶体光纤的芯体材料.     

自由运转的掺镱光纤激光器激射波长的研究

为了更好地设计掺镱光纤激光器,提出了一种用于确定自由运转的掺镱光纤激光器激射波长的计算模型。利用此模型可以同时分析激射波长与光纤长度、腔的损耗、掺杂浓度、工作温度等系统参数的关系,从而有助于合理设计光纤激光器,得到所需的出射波长,并且有助于设计可调谐的光纤激光器。在推导中引入了一种确定掺杂光纤的发射、吸收截面随温度变化的近似处理方法,用此方法只需要常温下掺杂光纤的截面数据就能进行温度相关的分析。通过与已知实验结果的对比,验证了此模型的适用性。     

基于Re:YAG-SiO2光纤的单频光纤激光器研究进展（特邀）

Re:YAG-SiO₂多组分玻璃光纤是以Re:YAG作为纤芯材料,以石英管作为包层材料,采用熔芯法利用拉丝塔在高温下拉制的特种光纤,具有掺杂浓度高、增益大、机械强度高、易与石英光纤熔接等优点,适用于短腔单频光纤激光器。文中介绍了Re:YAG-SiO₂光纤的制备工艺,结合笔者课题组在该领域的研究工作,综述了近年来基于Re:YAG-SiO₂光纤的单频激光技术在1.0 μm,1.5 μm及2.0 μm波段的研究进展,并对Re:YAG-SiO₂光纤的制备及基于该类光纤单频激光器所存在的问题进行了归纳分析,对未来的发展进行了展望。     

大模场掺铥光纤增益特性研究

为了进一步提升光纤激光器的输出功率,采用大模场面积掺铥光纤来抑制非线性效应,利用非均匀布喇格掺铥光纤结构,通过优化参量,在满足单模传输条件下获得模场面积为719μm2的大模场面积光纤。基于此光纤建立了793nm波长抽运下大模场掺铥光纤放大器理论模型。由于大模场面积光纤能降低光功率密度,抑制Stokes光功率,因此该种光纤放大器在高抽运功率下相比普通单模光纤放大器能够得到更大的输出功率。结果表明,当抽运光功率为100W时,所设计大模场面积光纤与普通单模光纤相比,转换效率提高5%,达到40%,输出功率达到41.01W。以上研究对于实际掺铥光纤放大器的设计有重要应用价值。     

Silica-clad neodymium-doped lanthanum phosphate fibers and fiber lasers

We have fabricated a neodymium-doped phosphate glass fiber with a silica cladding and used it to form a fiber laser. Phosphate and silicate glasses have considerably different glass transition temperatures and softening points making it hard to draw a fiber from these two glasses. A bulk phosphate glass of composition (Nd/sub 2/O/sub 3/)/sub 0.011/(La/sub 2/O/sub 3/)/sub 0.259/(P/sub 2/O/sub 5/)/sub 0.725/(Al/sub 2/O/sub 3/)/sub 0.005/ was prepared and the resultant material was transparent, free from bubbles and visibly homogeneous. The bulk phosphate glass was drawn to a fiber while being jacketed with silica and the resultant structure was of good optical quality, free from air bubbles and major defects. The attenuation at a wavelength of 1.06 /spl mu/m was 0.05 dB/cm and the refractive index of the core and cladding at the pump wavelength of 488 nm was 1.56 and 1.46, respectively. The fibers were mechanically strong enough to allow for ease of handling and could be spliced to conventional silica fiber. The fibers were used to demonstrate lasing at the /sup 4/F/sub 3/2/-/sup 4/I/sub 11/2/ (1.06 /spl mu/m) transition. Our work demonstrates the potential to form silica clad optical fibers with phosphate cores doped with very high levels of rare-earth ions (27-mol % rare-earth oxide).