基于多光纤级联的2-8μm中远红外超连续谱的产生研究

作     者：黄涛 

作者单位：宁波大学 

学位级别：硕士

导师姓名：聂秋华;杨佩龙

授予年度：2022年

学科分类：080901[工学-物理电子学] 070207[理学-光学] 0809[工学-电子科学与技术（可授工学、理学学位）] 07[理学] 08[工学] 080401[工学-精密仪器及机械] 0804[工学-仪器科学与技术] 0803[工学-光学工程] 0702[理学-物理学] 

主      题：中远红外 超连续光谱 硫系光纤 氟化物光纤 

摘      要：全光纤结构中远红外超连续谱光源具有光谱覆盖宽、光束质量好、紧凑性强和维护简单等特点,可潜在的应用于国防、工业及前沿科学领域,近年来得到了快速发展。实现全光纤中远红外超连续光源的核心是高峰值功率的中红外光纤激光源和高非线性红外光纤。当前,传统石英光纤中产生的超连续谱虽功率可达百瓦量级,但长波边缘被截止在2.8μm,波长的进一步突破需以透射波长更宽的新材料光纤为基础。近年来,随着新型高掺锗石英光纤、氟化物光纤、碲酸盐光纤以及氟碲酸盐光纤在中红外波段的广泛应用,结合新型高功率中红外超短脉冲光纤激光泵浦技术,2-5μm的超连续激光在功率、平坦性和稳定性方面有了巨大提升。但此类光纤的传输波长限于5μm,更长波长红外超连续谱光源的实现则转向通过短脉冲激光泵浦具有更宽透射窗口的硫系玻璃光纤。然而,更宽波长覆盖范围的全光纤结构超连续谱光源的实现,对光纤和泵浦激光都提出了更高的要求。本工作采用纳秒低重频脉冲激光作为种子源,结合掺铥MOPA放大,实现了高功率中红外脉冲激光输出;在此基础上,采用氟化物与小芯径硫系光纤级联泵浦方式,成功实现光谱覆盖2-8μm的中远红外超连续谱输出。此外,通过修正经典非线性薛定谔方程,对多脉冲在级联多光纤非线性系统的光谱演化进行深入分析,并建立了与实验吻合的理论模型。本工作的开展分为实验和理论两部分,一方面,对脉冲在多光纤级联系统中传输及演化的非线性过程进行模拟分析。另一方面,通过高功率、低重频的纳秒激光泵浦ZBLAN光纤与AsS光纤级联系统,获得了平均功率为730m W,光谱覆盖2-8μm的全光纤中远红外超连续谱。本论文研究内容如下:1.介绍了中红外超连续谱的研究背景,并对在氟化物光纤与硫系光纤中产生中远红外超连续谱的国内外研究进展进行了综述。2.详细介绍了脉冲在光纤中传输的非线性理论,并重点探索了脉冲在氟化物光纤中的时域与光谱演化,获得了多脉冲输出结果。随后采用Pearson相关系数法模型并结合传统超快非线性理论,对AsS光纤中超连续光谱的演化过程进行了数值分析。3.开展了2μm全光纤高功率脉冲激光的研制,随后泵浦ZBLAN光纤实现了平均功率输出大于4 W、光谱覆盖1.9-4.2μm的全光纤中红外超连续谱光源。4.主要开展了ZBLAN光纤与AsS光纤的对接耦合实验,获得了输出功率为0.73 W、光谱覆盖2-8μm的超连续谱。通过与数值模拟获得的光谱进行对比,实验与理论结果吻合良好。采用磁控溅射法在AsS光纤端面镀AlO增透膜,最终实现了不同膜厚、不同间距和不同功率密度与耦合效率的关系。