基于碲酸盐和硫化物光纤的布喇格光栅及其在中红外波段拉曼光纤激光器的应用基础研究

Tellurite and chalcogenide fiber have both high nonlinearity and wide spectral transmission range. The objective of this project is to study the writing of fiber Bragg gratings (FBGs) based on tellurite and chalcogenide fiber theoretically and experimentally, and also to investigate the fundamental application of mid-infrared Raman fiber laser (RFA) based on the FBGs wiring in tellurite and chalcogenide fiber. The reflected wavelengths can be extended from near-infrared region to mid-infrared region by writing the FBGs in tellurite and chalcogenide fiber. Then, the applications of FBGs will be expanded to mid-infrared region. At present, the cavities of fiber lasers on mid-infrared waveband are mainly composed of the combination of fiber components and discrete components; the coupling efficiencies are low. If the FBGs based on tellurite and chalcogenide fiber are used as end mirrors of cavity, all-fiber mid-infrared laser can be developed, which is estimated to have wide application in future. Both tellurite and chalcogenide fiber have high Raman gain coefficient. Monolithic mid-infrared Raman fiber laser can be achieved, when the FBGs based on the two kinds of fibers are combined with their high nonlinearities. The FBGs used as reflectors improve the efficiency of output. Moreover, due to the using of tellurite and chalcogenide fiber as the gain materials, the pump wavelength, emission wavelength and maximum output power will not be restricted by the absorption band, emission band and doped concentration of rare-earth ion-doped fibers.

碲酸盐和硫化物光纤既具有高非线性，又具有宽光谱透射范围。本项目拟对基于碲酸盐和硫化物光纤的FBG写入进行理论和实验研究，并研究该FBG在中红外波段拉曼光纤激光器的应用基础研究。利用碲酸盐和硫化物光纤作为基质写入FBG，可以将FBG的反射波长从近红外延伸到中红外波段，使FBG的应用从近红外扩展至中红外波段。目前，中红外波段光纤激光器的谐振腔主要由光纤和体块元件共同组成，耦合效率不高。利用写入碲酸盐和硫化物光纤的FBG作为腔镜，可发展全光纤中红外波段激光器，具有广阔的应用前景。碲酸盐和硫化物光纤具有高拉曼增益系数，将写入这两种光纤的FBG与光纤自身的高非线性相结合，可实现一体化的中红外波段拉曼光纤激光器。FBG作为腔镜提高输出效率；碲酸盐和硫化物高非线性光纤作为增益介质，替代中红外波段稀土离子掺杂光纤，使激光器的泵浦波长、发射波长和最大输出功率不再受限于稀土离子的吸收光谱、发射光谱和掺杂浓度。

近年来，软玻璃光纤成为研究热点。其中，碲酸盐和硫化物光纤既具有高非线性，又具有宽光谱透射范围。利用碲酸盐和硫化物光纤作为基质写入FBG，可以将FBG的反射波长从近红外延伸到中红外波段，使FBG的应用从近红外扩展至中红外波段，可用于全光纤中红外波段拉曼光纤激光器，并可用于光纤传感，具有广阔的应用前景。. 本项目分析了不同刻写光源、不同入射角、不同的相位模板刻槽深度对刻写FBG的影响，基于该模型的仿真结果为实际刻写FBG提供理论依据。理论分析并数值模拟对比了基于不同软玻璃光纤材料的FBG波长的变化特性，包括温度、应力和压力。. 搭建了基于飞秒脉冲和相位模板的光纤光栅刻写系统，采用800 nm的飞秒脉冲，其脉宽约为200fs，重复频率为1kHz，脉冲能量为1mJ，通过相位模板照射后碲酸盐和硫化物光纤进行FBG的写入实验。采用石英光纤，利用244nm连续光氩离子激光器，采用全息曝光方式形成了折射率调制，获得2000、2040和2090nm波段的FBG。. 基于碲酸盐光纤，分析了级联拉曼光纤激光器的输出特性，对光纤长度、泵浦功率、光纤损耗和输出耦合比等参数进行了优化。拉制成全固态芯AsSe2-As2S5硫化物微结构光纤，用于产生受激拉曼散射。实验研究了不同微结构硫化物光纤的受激拉曼散射过程，在2060-2070nm范围产生拉曼峰，最大转换效率达到-15dB。并对其进行理论分析。实验研究了碲酸盐光纤中多峰拉曼散射。利用波长为1545nm的4.1ns脉冲进行泵浦，观察到具有多峰结构的二阶拉曼频移，特别是在一阶拉曼散射的时候观察到六个峰，中心波长分别位于1588、1653、1720、1748、1769和1796 nm。利用波长1064nm、脉宽15ps、重复频率80MHz的脉冲泵浦10m长ZBLAN氟化物双折射光纤，产生从一阶到四阶的受激拉曼散射峰。. 通过本项目的研究，将FBG 的反射波长从近红外波段延伸到中红外波段，进一步扩展FBG的应用范围；为受激拉曼光纤激光器的实用化开辟新的途径，可促进中红外波段光纤激光器的发展，在生物、医疗、传感、测量和军事等方面具有广阔的应用前景。