高功率中红外拉曼光纤激光器关键技术研究

Fiber lasers operating in the mid-infrared region have attracted significant attentions because of their potential important applications in the scientific research, military and civilian field. The aim of this project is to develop high power mid-infrared Raman fiber lasers. We propose a new method to achieve high power Raman fiber laser, which will combine the characteristics of wavelength extending by using cascaded pumping Er-doped fluoride fiber, strong Raman effect of chalcogenide fiber and wavelength selection of fiber Bragg gratings. The new method and its relative key technologies will be studied. The research contents mainly include: 1). To investigate the wavelength extending and thermal suppression mechanism of cascaded pumping Er-doped fluoride fiber, and to achieve high power fiber laser with selectable wavelength in the range of 3.2～3.9 μm. 2). To study Raman characteristics of chalcogenide fiber and coupling mechanism of cascaded Raman laser in mid-infrared region. 3). To develop inscribed technology of FBGs on fluoride and chalcogenide fibers. 4). To investigate the mechanism of thermal and optical damage and relative resistance damage methods. 5). To construct the theoretical model of power evaluation and systematic optimization and achieve the Raman laser with power of >10 W and selectable wavelength in the range of 2.0～6.0 μm. The proposed methods of achieving Raman laser at such ultra-band in this project have never been reported. The involved techniques including wavelength extending by using dual-wavelength cascaded pumping, Raman orders and thermal decreasing by using longer wavelength pumping can be transferred to the other high power Raman lasers. The research results of this project will promote the development of high power mid- and far-infrared lasers..

中红外光纤激光在科研、军用及民用领域有着重要的应用前景。本项目拟结合级联泵浦掺Er氟化物光纤的波长扩展机制、硫化物光纤拉曼效应和光纤光栅波长选择机制，研究实现高功率中红外拉曼光纤激光器的新方法，并解决其关键技术。研究内容包括：1）研究级联泵浦掺Er氟化物激光波长扩展与热量抑制机制，实现3.2～3.9 μm波长可选的高功率基频激光；2）研究硫化物光纤中红外拉曼特性与多级拉曼激光耦合机制；3）研究氟化物和硫化物光纤光栅刻写技术；4）研究级联拉曼激光热、光损伤机制及抗损伤技术；5）建立拉曼激光功率预测与优化模型，实现功率>10 W、波长在2.0～6.0 μm可选的拉曼激光。本项目提出的实现超宽范围拉曼光纤激光的方法未见其它报道，所涉及的级联泵浦扩展基频波长、长波泵浦减少拉曼级数与热量等方法是实现高功率拉曼激光的共性技术，研究结果将促进中远红外激光技术的发展。

2-5 μm中红外波段激光在科学研究、国防和民用领域有着重要的应用需求。光纤激光器以其独特的优势成为产生该波段中红外激光的重要平台之一，其中，拉曼光纤激光是实现中红外波长拓展的重要技术方案，但是目前中红外拉曼光纤激光器的研究成果还较少，且其输出波长还主要集中在2μm波段，最长波长仅在3.34μm，且功率只有0.6W，难以满足实际需求，因此探索产生长波长、高功率中红外拉曼激光的新方法是值得研究的新课题。项目针对中红外拉曼光纤激光在功率提升、波长拓展、系统集成等涉及的科学问题，建立了双波长混合泵浦的掺Er3+ZBLAN光纤激光器振荡模型，揭示了不同双波长组合情况下激光器的动力学过程和输出特性，掌握了双波长泵浦系统的优化和设计方法，最终在实验上获得了2.7-2.9μm和3.4-3.7μm波长可调谐的连续和脉冲激光输出，为拉曼激光的实现提供了丰富的种子光源；建立了1-3阶中红外硫化物拉曼光纤激光振荡模型，研究了相邻阶斯托克斯光的互作用机理，并在理论上对各阶拉曼激光高效输出对应的系统参数进行了优化，为高效拉曼激光产生奠定了基础；研究了基于紫外曝光和飞秒刻写的中红外光纤光栅制备方法，揭示了光栅结构参数与反射波长、反射带宽和反射率的关系，成功研制了3μm波段均匀光纤光栅、2μm波段均匀光纤光栅、45度倾斜光纤光栅以及相应的利奥滤波器；开展了基于拉曼自频移效应的中红外光纤激光波长拓展研究，建立了基于不同非线性光纤拉曼自频移模型，揭示了激光波长非线性转化的动力学过程，掌握了系统的优化与设计方法，实现了中红外脉冲光纤激光波长的大幅拓展。项目执行期间，发表SCI/EI论文53篇，其中包括Nature Communications、Advanced Materials、OSA、IEEE期刊论文在内的43篇SCI论文已被收录，获授权发明专利7项，还有13项发明专利正在受理中；项目组1名成员获得了国家自然基金优秀青年科学基金资助，培养毕业硕士博士17人（其中1人荣获王大珩高校学生光学奖）。