摘要
位于中红外波段的光纤激光光源，在军事对抗、医疗、遥感、光谱学等多个方向上都有着独特应用，实现中红外高功率连续光输出，高平均功率、峰值功率的超短脉冲输出，以及腔型结构的集成化、全纤化，多年来一直是激光技术领域研究的热点。然而，中红外波段常用的铒掺杂氟化锆玻璃光纤(Er∶ZBLAN)，其全光纤器件技术发展并不完善，这导致此类激光系统不得不依赖大量的空间器件，严重制约了激光器的稳定性与输出性能。此外，Er3+离子在中红外发射波段下，近红外泵浦光向信号光转换时存在严重的量子亏损，致使纤芯中易产生较强的热积累。因此，在理论与实验设计上探索中红外Er∶ZBLAN光纤激光器，优化光纤参数、设计腔型结构，并探索稳定可靠的全纤化器件工艺，对于实现全光纤高功率中红外连续光输出以及超短脉冲输出具有十分关键的意义。本文将围绕空间与全光纤结构的中红外Er∶ZBLAN激光器展开研究，主要工作如下: 第一部分，说明了课题的研究背景及意义，调研了近五年内国内外中红外Er∶ZBLAN激光器的研究进展，具体包括连续、脉冲输出的相关理论及实验研究工作，总结了基于Er∶ZBLAN增益光纤的中红外光纤激光器的发展历程，以及现存的有待解决的难题，明确了本文的研究方向。 第二部分，分析了Er3+离子在ZrF4玻璃基质中的能级结构与跃迁过程，推导出高度简化、高可拓展性的速率方程。基于速率方程理论构建了Er∶ZBLAN光纤激光器的数值模型，并对腔镜反射率、泵浦方向等激光器腔型参数进行了数值模拟。另一方面，分别基于波动光学中的相位锁定理论与非线性光学中的G-L方程理论(Ginzburg-Landau方程)分析了被动锁模脉冲的产生机理。 第三部分，基于双波长泵浦Er∶ZBLAN光纤激光器数值模型，创新性地提出了一种求解光纤激光器边值问题的算法，对已报道文献中的理论模拟与实验结果进行复现分析，验证了数值模型与参数选取的准确性，并通过对比标准弛豫算法，验证了新算法在收敛速度、收敛精度与猜测值稳定性等方面性能的优越性。 第四部分，基于空间结构，搭建了发射波长2.8μm的Er∶ZBLAN自由运转振荡器与脉冲光纤放大器。在自由运转的2.8μm激光振荡器中，实现了418.6mW，中心波长2783～2798nm，谱宽约7nm的连续光输出。在脉冲光纤放大器中，采用自行研制的2.8μm拉曼孤子脉冲源作为种子源，将平均功率144mW的信号光放大至1.031W，实验中未出现自激振荡，输出脉冲谱宽26nm，斜效率为22.15％，振荡器与放大器输出的功率特性曲线与理论模拟结果均可较好地吻合。其次，基于自研制的氟化物光纤侧面包层泵浦耦合器(SPC)技术，搭建了准全光纤2.8μm锁模振荡器与放大器，实现了重频20.5948MHz，平均功率27.6mW的锁模脉冲种子光输出，成功将脉冲输出平均功率放大至600mW。输出的锁模脉冲为实现进一步的脉冲放大，以及中红外超连续展宽、孤子自频移(SSFS)等研究打下了基础。
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