提出了一种在2 050 nm波段的基于新型无源三环复合子腔的单纵模掺铥光纤激光器。对所提出的新型复合三环子腔滤波器进行了详细的理论分析, 可以通过调整其有效自由光谱范围和透射带宽实现超窄带滤波, 从而确保激光器的单纵模运行。所搭建激光器的输出波长为 2 048.48 nm, 光信噪比为 70 dB, 100 min内的波长和功率波动分别小于 0.02 nm 和 0.453 dB。实验结果表明, 激光器可以工作在稳定的单纵模输出状态。该激光器有望用于自由空间光通信或用作多普勒激光雷达的高功率光纤激光器的种子源。

提出了一种基于光纤Bragg光栅Fabry-Pérot (F-P)窄带滤波器和复合双环腔滤波器的单纵模掺铥光纤激光器。通过对复合双环腔进行数值仿真并实验制作, 结合光纤Bragg光栅F-P滤波器的窄带滤波特性, 实现了光纤激光器的单纵模选取。激光器输出波长为1 941.56 nm, 光信噪比为55.8 dB, 70 min内的波长和功率波动分别小于0.019 nm和1.464 dB。由自制的基于非平衡迈克尔逊干涉仪线宽测试系统测量了所提出的掺铥光纤激光器输出单纵模激光的频率噪声特性, 并用β线方法由频率噪声谱估计了不同测量时间下的激光线宽, 2 ms测量时间下的典型激光线宽值为14.194 kHz。

搭建了一个连续波高功率掺铥光纤激光器, 并进行了生物组织切割研究。利用自制光纤光栅搭建了线形腔掺铥光纤激光种子源, 种子源输出波长为1 941.10 nm, 光信噪比为75 dB, 50 min内的波长抖动和功率抖动分别小于0.04 nm和0.265 dB, 斜率效率和最大输出功率分别为5.6%和186 mW。基于主振荡功率放大结构, 分别搭建了前置光放大器和主光放大器, 两放大器的斜率效率分别为14.3%和35.86%, 经过两级放大后得到21.9 W的激光输出。利用经光束整形后的激光光束进行了生物组织切割实验。设计了多组实验观察该激光器在不同功率和移动速度情况下, 切割深度的变化情况。实验表明该掺铥光纤激光器具有良好的切割作用, 在生物医学领域具有应用潜力。

为了实现对激光器相位的准确测量, 提出一种基于保偏3×3光纤耦合器的激光器相位解调测量系统。将3×3保偏光纤耦合器的两路输出信号进行光电转换, 并利用微分交叉乘法进行相位解调计算, 得出相位信息。采用保偏3×3光纤耦合器及保偏延时光纤结构, 可省去法拉第旋光器, 简化相位解调测量系统结构, 并提高外界环境参数波动所导致的测量系统信号的解调稳定性。仿真结果表明: 在考虑随机噪声影响时(噪声标准差为0.1), 对不含有噪声和含有噪声的相位信号进行解调, 两种情况下的解调结果与预设给定值的吻合度较高; 前者估计误差为±0.3 rad, 后者估计误差为-0.3~0.45 rad。最后, 对这种方法进行了实验验证, 实验结果表明: 相位解调的实验结果与仿真结果相符, 二者的相位波动的功率谱密度吻合度高, 相关系数为0.98; 10组重复实验结果与仿真结果的相关系数皆在0.98以上; 随机两两组合10对实验结果之间的相关系数均在0.99以上, 满足测量系统的稳定可靠的要求。

制作了一种单纵模超窄线宽环形腔掺铥光纤激光器, 使用未抽运的保偏掺铥光纤作为饱和吸收体, 结合光纤光栅法布里-珀罗滤波器, 实现了激光器的单纵模运转和超窄线宽输出。实验结果表明：激光器在室温下可以获得中心波长为1942.03 nm、光信噪比为63 dB的稳定输出。通过100 min的连续测量, 激光输出功率的波动小于0.62 dB, 中心波长的波动小于光谱仪的最小分辨率0.05 nm, 在一定时间内具有良好的稳定性。采用基于频率噪声的线宽测量方法测得0.01 s测量时间下的线宽为300 Hz, 在0.1 s测量时间下的线宽约为3 kHz。所制作的激光器将在对2 μm波段激光纵模及线宽特性有严格要求的领域具有重要应用价值。

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。