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拉曼光纤激光器中脉冲矢量光束的产生及调控研究

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拉曼光纤激光器中脉冲矢量光束的产生及调控研究

作者：黄茂林深圳大学

学位级别：硕士

早期光纤激光技术的研究主要集中在纵向维度的时域和频域,此后,横向维度的激光空间域调控也成为了另一研究重点。近年来,随着激光技术的不断发展,对光场调控提出了更高的要求,激光的时空频联合调控俨然成为了领域中的研究热点,其中脉冲... 详细信息

早期光纤激光技术的研究主要集中在纵向维度的时域和频域,此后,横向维度的激光空间域调控也成为了另一研究重点。近年来,随着激光技术的不断发展,对光场调控提出了更高的要求,激光的时空频联合调控俨然成为了领域中的研究热点,其中脉冲矢量光束(空间非均匀偏振光束,如柱矢量光束、涡旋光束等)有独特的强度、相位和偏振特性,而光纤激光中脉冲矢量光束的出现由于其模式纯度高、灵活性好、脉冲宽度窄和能量高等特点,在材料加工和粒子加速领域中受到广泛关注。然而,现有的全光纤脉冲矢量光束激光器大多是基于稀土掺杂光纤,受限于其能带结构,其输出波长固定。注意到拉曼光纤激光器其输出波长仅由泵浦源的波长(任意)和拉曼增益光纤的材料共同决定,理论上其输出波长可根据实际需要任意选择。此外,拉曼光纤激光器具有低的量子缺陷,且增益介质为较长的无源光纤,可以有效降低热负载密度,理论上其在激光器的斜效率和脉冲能量等激光器性能方面将有着出色的表现。因此,本论文基于拉曼光纤激光器,充分利用模式选择耦合器的灵活可操控性,展开L波段和U波段的全光纤脉冲矢量光束激光器的深入研究,研究成果为全光纤脉冲矢量光束激光器领域中波长、脉冲能量、斜效率等受限瓶颈提供了解决方案。本论文的主要工作内容以及创新点如下:(1)针对拉曼光纤激光器所需的模式转换器件,设计和制备了高性能L波段以及U波段的模式选择耦合器。L波段模式选择耦合器具有60 nm的超宽工作带宽,0.55 d B的低插入损耗以及95%的高模式纯度;U波段模式选择耦合器的插入损耗为0.85 d B以及模式纯度为93%。该器件为实现特殊波段矢量光束输出以及提升拉曼光纤激光器的性能提供了实验基础。(2)针对全光纤脉冲矢量光束激光器腔内输出脉冲能量较低的问题,提出了将拉曼光纤激光器与模式选择耦合器相结合的方案。通过非线性偏振旋转锁模技术得到了L波段的脉冲能量高达1.1μJ高能量脉冲矢量光束,激光器的斜效率为20.3%,调控矢量模态叠加的种类和相位延迟,获得了95%以上模式纯度任意切换的脉冲矢量光束。该方案为解决全光纤脉冲矢量光束激光器中脉冲能量和激光斜效率受限的科学问题提供了一种可行的方案。(3)针对全光纤脉冲矢量光束激光器其输出波长受限的问题,利用拉曼激光器的波长灵活性,在自制的1545 nm高稳定随机光纤激光器泵浦下,获得了U波段高稳定的高斯型和“h”型脉冲矢量光束,其输出脉冲信噪比均大于60 d B。同时,对谐振腔输出的模式进行调控,获得了模式纯度大于90%的柱矢量光束。该方案不仅将输出波段拓展到U波段,而且随机光纤激光器作为泵浦源为提高拉曼光纤激光器的稳定性提供了一个新思路。

关键词：模式选择耦合器光场调控脉冲矢量光束拉曼光纤激光器

1.7μm自同步皮秒脉冲随机拉曼光纤激光器

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深圳大学学报（理工版） 2022年第4期39卷 363-368页

作者：朱逸怀沈鹏生郑树锴於林鹏罗兴王金章闫培光吕启涛董繁龙郭春雨阮双琛深圳大学物理与光电工程学院深圳市激光工程重点实验室广东深圳518060 深圳技术大学先进光学精密制造技术广东普通高校重点实验室广东深圳518118 大族激光科技产业集团股份有限公司广东深圳518057

针对目前1.7μm波段短脉冲激光器普遍存在的结构复杂问题,提出并实现了一种全光纤化自同步皮秒脉冲随机拉曼激光器.采用1578 nm脉冲光纤激光器泵浦基于随机分布反馈的半开拉曼腔,实现了中心波长1695 nm,平均功率224 mW的皮秒脉冲输出.... 详细信息

针对目前1.7μm波段短脉冲激光器普遍存在的结构复杂问题,提出并实现了一种全光纤化自同步皮秒脉冲随机拉曼激光器.采用1578 nm脉冲光纤激光器泵浦基于随机分布反馈的半开拉曼腔,实现了中心波长1695 nm,平均功率224 mW的皮秒脉冲输出.激光器无需精确匹配腔长或复杂的反馈控制,分布式瑞利散射形成的复合腔自动满足同步泵浦条件.通过在腔内插入波分复用器,抑制了随机子腔噪声,进一步提高输出脉冲的稳定性.本研究首次实现了工作在1.7μm波段的随机脉冲光纤激光器,可广泛应用于生物成像和材料加工等领域.

关键词：光电子与激光技术非线性光学随机光纤激光器拉曼光纤激光器同步泵浦脉冲

LD包层泵浦拉曼光纤激光器首次实现千瓦输出

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中国激光 2022年第24期49卷 160-161页

作者：郝修路李阳范晨晨潘志勇冷进勇姚天甫周朴国防科技大学前沿交叉学科学院湖南长沙410073 国防科技大学南湖之光实验室湖南长沙410073

将无源光纤中受激拉曼散射效应作为激光增益的拉曼光纤激光器(RFLs),无需掺杂稀土元素,且具有波长选择灵活、无光子暗化、增益瞬时响应、无放大自发辐射等优势。高功率半导体激光器(LD)具有便于系统集成、电光转换效率高的特点,是一种... 详细信息

将无源光纤中受激拉曼散射效应作为激光增益的拉曼光纤激光器(RFLs),无需掺杂稀土元素,且具有波长选择灵活、无光子暗化、增益瞬时响应、无放大自发辐射等优势。高功率半导体激光器(LD)具有便于系统集成、电光转换效率高的特点,是一种较为理想的泵浦源,已成为掺镱光纤激光器功率提升的关键,将其与RFLs结合实现激光输出将有“性能倍增”的效果。

关键词：拉曼光纤激光器放大自发辐射电光转换效率激光输出掺镱光纤激光器包层泵浦泵浦源波长选择

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超长拉曼光纤激光器设计与实现

超长拉曼光纤激光器设计与实现

作者：董诗盛电子科技大学

学位级别：硕士

随着拉曼光纤激光器(RFL)的发展,基于光纤瑞利散射及拉曼散射的超长拉曼光纤激光器(URFL)在过去几十年得到了广泛研究。RFL以光纤中受激拉曼散射效应作为增益机制,利用光纤作为激光器腔体实现分布式的增益,具有天然的长谐振腔特点。得益... 详细信息

随着拉曼光纤激光器(RFL)的发展,基于光纤瑞利散射及拉曼散射的超长拉曼光纤激光器(URFL)在过去几十年得到了广泛研究。RFL以光纤中受激拉曼散射效应作为增益机制,利用光纤作为激光器腔体实现分布式的增益,具有天然的长谐振腔特点。得益于RFL的长腔特性,在光纤准无损传输系统、保密通信、光纤传感等领域有应用前景。探索光纤激光器的极限腔长是URFL研究中的一个重点问题。目前基于可观测纵模下的URFL仍然停留于早期标准单模光纤及低阶拉曼泵浦方式下。为了进一步扩展URFL理论及应用研究,本论文以提升具有固定纵模模式的URFL极限腔长为目的,基于功率稳态方程对URFL进行数值分析,提出了利用超低损耗光纤、高阶泵浦方式以及掺铒-拉曼混合增益方式来提升URFL腔长的方法,并通过对比实验验证方案的有效性,实现了目前腔长最长的具有固定纵模模式的光纤激光器。主要研究内容如下:(1)364 km超长拉曼光纤激光器:针对现有具有固定纵模模式RFL腔长距离有限的问题,通过理论仿真分析了泵浦方式及光纤传输损耗、瑞利散射系数及拉曼增益系数对URFL腔长性能的影响,提出采用高阶泵浦结合低传输损耗光纤及低瑞利散射系数光纤延长具有固定纵模模式RFL极限腔长的方法。根据理论指导,搭建了基于1090 nm放大后向自发辐射泵浦源及超低损耗光纤的364 km双端泵浦六阶URFL及对比实验,验证了该方案的有效性,实现了RFL腔长距离的突破。同时基于URFL相关研究,对不同结构下准无损传输系统性能进行了理论数值分析,为后续相关研究提供一个理论基础。(2)410 km掺铒-拉曼超长光纤激光器:为进一步延长具有固定纵模模式RFL的腔长距离同时降低激光器阈值,提出高阶泵浦结合超低损耗光纤及掺铒光纤(EDF)的URFL实现方法。结合Giles模型,理论分析了EDF段数及位置对RFL腔长的影响。基于理论仿真结果,在距激光器两端100 km处各加入一段EDF,残余1461 nm激光注入EDF后进一步放大1550 nm激光功率,实现了基于六阶拉曼泵浦的掺铒-拉曼混合增益的超长光纤激光器,将激光器腔长距离显著延长至410km,同时将激光阈值降低至16.2 W。

关键词：光纤激光器拉曼光纤激光器超低损耗光纤瑞利散射准无损传输系统

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二级级联拉曼光纤激光器的特性

中国激光 2007年第2期34卷 156-162页

作者： S.A.Babin D.V.Churkin S.I.Kablukov E.V.Podivilov 赵崇光王蓟俄罗斯科学院新西伯利亚分院自动化与测电学研究所中国科学院长春光学精密机械与物理研究所激发态实验室

对二级级联拉曼光纤激光器(RFL)的输出光谱特性进行了研究,利用理论模型讨论了高反腔输出光谱的分裂、对称以及随光栅中心波长改变而形成不对称的现象。实验得到了各级光功率的相互关系:随着抽运功率的增大,产生第一级斯托克斯(Stokes)... 详细信息

对二级级联拉曼光纤激光器(RFL)的输出光谱特性进行了研究,利用理论模型讨论了高反腔输出光谱的分裂、对称以及随光栅中心波长改变而形成不对称的现象。实验得到了各级光功率的相互关系:随着抽运功率的增大,产生第一级斯托克斯(Stokes)波,剩余抽运功率有一个衰减的阶段;抽运功率继续增大,第二级斯托克斯波产生后,第一级斯托克斯波功率达到饱和,剩余抽运功率又开始线性增长。利用功率沿光纤长度分布的模型,分析了二级级联拉曼光纤激光器的功率特性,理论模型与实验结果相吻合。

关键词：激光器二级级联拉曼光纤激光器光纤布拉格光栅第一级斯托克斯波第二级斯托克斯波

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超快拉曼光纤激光器技术研究进展

中国激光 2019年第5期46卷 204-218页

作者：潘伟巍周佳琦张磊冯衍中国科学院上海光学精密机械研究所高功率光纤激光技术实验室上海201800 上海频准激光科技有限公司上海201800 中国科学院大学材料与光电研究中心北京100049

锁模和超短脉冲同步抽运是拉曼光纤激光器得到超短脉冲的主要方式。在锁模拉曼光纤激光器中,基于等效可饱和吸收体的结构可以实现较高性能的输出,但目前仍面临增益光纤过长带来的问题。超短脉冲同步抽运的方式可以有效解决这一问题,实... 详细信息

锁模和超短脉冲同步抽运是拉曼光纤激光器得到超短脉冲的主要方式。在锁模拉曼光纤激光器中,基于等效可饱和吸收体的结构可以实现较高性能的输出,但目前仍面临增益光纤过长带来的问题。超短脉冲同步抽运的方式可以有效解决这一问题,实现参数极佳的超快拉曼激光输出。超快拉曼光纤激光器发展潜力巨大,未来的研究将着眼于进一步提升各类超快拉曼光纤激光器的整体输出性能并探究其中的新现象。

关键词：非线性光学拉曼光纤激光器超快激光锁模同步抽运

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1．2μm掺磷拉曼光纤激光器的理论模型

光学学报 2014年第13期34卷 317-321页

作者：李彦林宋晏蓉北京工业大学应用数理学院北京100124

报道了一种1.2μm掺磷拉曼光纤激光器的理论模型。用1．035μm的高功率掺镱光纤激光器做抽运源，列出了耦合波方程，并用Matlab数值方法对一级斯托克斯光进行求解，同时利用文献实验结果对此求解方法进行验证，结果吻合较好。最后通过... 详细信息

报道了一种1.2μm掺磷拉曼光纤激光器的理论模型。用1．035μm的高功率掺镱光纤激光器做抽运源，列出了耦合波方程，并用Matlab数值方法对一级斯托克斯光进行求解，同时利用文献实验结果对此求解方法进行验证，结果吻合较好。最后通过计算得到在实验条件下，此系统的最佳掺磷光纤长度为30m，大大缩短了拉曼光纤的长度，输出镜反射率为84％。

关键词：激光器 1.2μm激光拉曼光纤激光器特殊波长掺磷光纤

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多波长级联拉曼光纤激光器的设计

光学学报 2009年第1期29卷 244-248页

作者：秦祖军周晓军伍浩成邹自立电子科技大学光电信息学院四川成都610054 桂林激光通信研究所广西桂林541004

基于稳态条件下描述光纤中受激拉曼散射效应的光功率耦合方程组,提出一种新的多波长级联拉曼光纤激光器的设计算法。结合遗传算法和打靶法的优点,采取对每一代种群中少数优良个体进行几次打靶,使得种群中目标函数最优化值附近的个体加... 详细信息

基于稳态条件下描述光纤中受激拉曼散射效应的光功率耦合方程组,提出一种新的多波长级联拉曼光纤激光器的设计算法。结合遗传算法和打靶法的优点,采取对每一代种群中少数优良个体进行几次打靶,使得种群中目标函数最优化值附近的个体加速收敛。以500 m掺磷光纤为增益介质、光纤布拉格光栅构成谐振腔的三波长(1427 nm,1455 nm,1480 nm)级联拉曼光纤激光器为例,采用该算法计算了其输出特性。结果表明,总输出功率与抽运功率近似成线性关系,斜率效率约51%;由于谐振腔中三个输出波长相互之间的受激拉曼散射作用产生的能量转移,使得输出的长波长斯托克斯光斜率效率大于短波长斯托克斯光斜率效率。

关键词：光纤光学受激拉曼散射拉曼光纤激光器多波长数值设计

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拉曼光纤激光器输出功率特性研究

拉曼光纤激光器输出功率特性研究

作者：刘聪西南交通大学

学位级别：硕士

拉曼光纤激光器作为一种基于受激拉曼散射效应的激光器,具有结构简洁,输出光束质量好,波长转换能力强和常温下性能稳定的特点,是DWDM系统理想的信号源和泵浦源而得到了重视。为了实现不同类型拉曼光纤激光器的优化设计,必须对其理论模... 详细信息

拉曼光纤激光器作为一种基于受激拉曼散射效应的激光器,具有结构简洁,输出光束质量好,波长转换能力强和常温下性能稳定的特点,是DWDM系统理想的信号源和泵浦源而得到了重视。为了实现不同类型拉曼光纤激光器的优化设计,必须对其理论模型即相应的光功率耦合方程组进行快速求解。本文首先简述了拉曼散射的基本原理以及受激拉曼散射的增益特性,并对拉曼光纤激光器的基本结构和现今比较流行的几种拉曼光纤激光器的应用作了介绍。其次,通过对级联拉曼光纤激光器的理论模型进行仔细分析,得出了数值求解拉曼光功率耦合方程组的问题可以转化为复杂函数的寻优问题这一结论。根据方程组建立的适应度函数的具体情况,针对两大类优化算法:微粒群算法和量子遗传算法做出了相应的改进。改进的微粒群算法吸收遗传算法的优点,利用算术杂交和均匀性变异算子来提高粒子的多样性,加快了优化算法的收敛速度并避免陷入局部最优;改进的量子遗传算法综合了前人的思想并根据量子门的特性采用遗传算法的交叉策略对编码进行替换,同样增强了函数的寻优能力。测试结果表明,改进算法可以用于多维复杂函数的优化。本文也给出了优化算法的其它应用:对模场半径和拉曼增益谱进行数值拟合。最后,在分析了光功率耦合方程组的特性和各种改进优化算法的基础上,使用改进的优化算法并配合快速Runge-Kutta算法求解光功率耦合方程组,并针对普通的Newton-Raphson打靶算法容易“脱靶”和计算时间过长的问题,在功率变化的敏感点位利用优化算法对初值进行筛选。利用该算法对影响二阶掺磷拉曼光纤激光器输出功率的关键参数进行了数值分析和讨论,其结果表明,算法提高了打靶算法稳定性的同时缩短了计算时间,是一种有效的数值求解方法。

关键词：拉曼光纤激光器光纤中的受激拉曼散射初值筛选输出功率微粒群算法量子遗传算法