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。

基于主振荡功率放大器结构的高功率掺Tm3+光纤激光器是2 μm波段高功率光纤激光器的主要实现形式, 掺Tm3+光纤放大器(Thulium-doped fiber amplifier,TDFA)热效应管理的研究对于其输出激光功率的不断提升具有重要意义。本文主要对TDFA热效应管理的泵浦方式优化方面进行理论研究, 利用龙格库塔法以及牛顿迭代法求解不同泵浦方式下TDFA的稳态速率方程, 并根据热传导方程, 模拟掺Tm3+光纤(Thulium-doped fiber,TDF)温度沿径向和轴向的分布。结合遗传算法理论, 研究了分段泵浦方式, 经过参数优化, 在功率为5 W 的2 020 nm输入信号光、总功率为1 000 W的793 nm激光泵浦、TDF吸收系数为3.1 dB/m条件下, 将总长度为11 m的TDF分为2.4, 2, 2, 2, 2.6 m的5段进行泵浦, 得到放大信号激光输出功率为284.5 W、斜率效率为28.45%、光纤外包层边界最高温度为86.28 ℃且温度总体分布均匀。与传统前向泵浦、双端泵浦方式下的TDFA相比, 其热效应有明显改善。

利用非线性薛定谔方程(NLSE)为2 μm掺Tm3+自相似脉冲激光器建立了一种新的数值模型。模型中, 用NLSE描述脉冲在激光器中的产生和传播, 利用MATLAB软件模拟了脉冲在激光腔内的演化特性, 优化了腔内净色散、增益系数和可饱和吸收体等参数, 得到了典型的2 μm自相似脉冲的产生区域和特点。在最佳运行范围内, 通过仿真得到了能量为7.87 nJ、脉宽为30.58 ps的具有严格正啁啾的高功率抛物线型脉冲。同时, 分析了腔内净色散、增益系数和可饱和吸收体等参数对自相似脉冲产生的影响, 并模拟了光栅器件进行色散补偿, 使输出脉宽达到547 fs, 脉冲峰值功率达到20.85 kW。本文为获得高功率自相似脉冲提供了指导性意见。

以2 μm掺铥锁模光纤激光器的理论模型,以及非线性薛定谔方程(NLSE)为依据,分析了激光器内自相似脉冲的演化条件,并输出了峰值功率约为22.66 W的自相似脉冲,同时研究了腔内净色散、色散补偿光纤长度和增益系数等参量对自相似脉冲的影响。结果表明,随着腔内净色散和色散补偿光纤长度的增加,脉冲宽度随之增加,单脉冲能量随之降低,而小信号增益系数的增加会使脉冲宽度和单脉冲能量均随之增加。

提出并实验验证了一种稳定的单纵模窄线宽环形腔掺铥光纤激光器,通过使用特殊的子环腔和自制的光纤布拉格光栅,实现了稳定的单纵模激射和窄线宽输出。子环腔由3个互相连接的光耦合器组成,用来抑制密集的多纵模和跳模。采用自制的光纤布拉格光栅,作为窄线宽波长滤波器,最终实现了稳定的单纵模激射。实验结果表明,该激光器在室温下可获得中心波长为1940.6 nm,光信噪比为60 dB的稳定信号输出。其频率噪声采用基于3×3光耦合器的自零差技术进行测量。当测量时间为0.05 s时,由频率噪声计算的线宽大约为8 kHz。

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。