论文部分内容阅读
工作波长在2μm附近眼安全波段的光纤激光器，相比传统1.06μm和1.55μm波段光纤激光器具有更好的自由空间传输特性，更强的水吸收特性，以及更低的单光子能量，因此在激光雷达、激光医疗、光电对抗以及非线性频率转换产生中红外光源等领域具有重要的应用价值。对于其中的很多应用，除了要求足够的输出功率和好的光束质量以外，往往还对激光的单色性即线宽有相当严格的要求，因此，发展具有极窄线宽的2μm单纵模光纤激光器已成为激光技术近年来的研究热点之一。本学位论文主要围绕2μm波段单纵模光纤激光器，从理论模拟、实验研制、实际应用等方面开展了一系列的研究工作，具体研究内容包括以下几个方面: 首先分析了作为2μm波段增益光纤的掺Tm光纤、掺Ho光纤与Tm/Ho共掺光纤的光谱特性与能级跃迁机制，基于此建立了相应泵浦方案的速率方程模型，并通过数值模拟分析了1565nm泵浦的掺Tm光纤和Tm/Ho共掺光纤的增益特性。其中，重点针对Tm/Ho共掺光纤2.0μm以上长波段增益的优化问题进行了较为深入的研究和讨论，研究了在泵浦输入端加入短波段FBG对Tm/Ho共掺光纤长波段增益特性的影响，并对此进行了分析解释，同时进一步指出了加入短波段FBG对于提高Tm/Ho共掺光纤长波段增益的适用条件。此外，针对2μm单纵模光纤激光器的谐振腔设计，基于透射谱函数对线形F-P腔与两种光纤环形滤波器的滤波特性，以及复合腔的单纵模选模特性进行了模拟分析。 基于上述理论研究的结果，通过分析和论证选定了采用Tm/Ho共掺光纤为增益光纤，基于级联环形辅腔的复合腔作为谐振腔结构，1565nm掺Er光纤激光器系统作为泵浦源的2μm单纵模光纤激光器实验方案，并研制了工作波长为1952nm的环形复合腔单纵模光纤激光器，获得了最大功率约为118mW的稳定单纵模输出。对于2.0μm以上工作波段，由于可获得的增益相对较低，为了实现足够的输出功率，采用了线形复合腔结构以使高功率泵浦光直接经FBG耦合至谐振腔，从而克服了环形腔因WDM光损伤阈值不足所造成的限制，最终在2041nm处获得了最大功率约为192mW的单纵模激光输出。 最后，针对星载CO2遥感探测空间外差光谱仪2.04μm通道光谱定标的实际应用需求，通过对振动隔离和温度补偿封装的FBG施以轴向拉伸应力，使上述线形复合腔单纵模光纤激光器的工作波长可在2040～2042.5nm的范围内连续调谐，且输出波长不确定度小于5pm。利用该可调谐光纤激光器提供的输出激光，经溯源于波长标准后，实现了空间外差光谱仪2.04μm通道的光谱定标，且定标精度优于设定的指标要求。