2um波段的大功率窄线宽偏振保持石英基Tm:Ho:Tb共掺光纤激光器

2um波段大气窗口空间光通信具有传输损耗低、对人眼安全等特点，在军事和民用方面具有广阔的应用前景。本课题研究Tm:Ho:Tb共掺石英基光纤在2um波段大气窗口的辐射特性，利用交叉驰豫及上转换机理提高Tm3+、Ho3+、Tb3+对泵浦光的吸收效率。优化疏松层高掺Ge、F及Tm3+、Ho3+、Tb3+共掺工艺，提高纤芯对紫外光的光敏性。采用MCVD设备的"湿法"在线掺杂技术和光纤预制棒侧向开槽技术，制作偏振保持Tm3+、Ho3+、Tb3+共掺石英基光敏光纤及包层泵浦光纤。通过在上述光敏光纤两端紫外写入3只光纤Bragg光栅，构成线形光学谐振腔。在793nm激光泵浦下，形成稳定的窄线宽激光输出。制作包层泵浦Tm3+、Ho3+、Tb3+共掺石英基光纤放大器，对输出激光进行放大。得到工作波长2080～2090nm、线宽100MHz、功率25W的激光输出。为2um波段大气窗口空间光通信奠定基础。

理论研究了793 nm和1550 nm激光泵浦下Tm3+、Ho3+、Tb3+共掺石英基光纤增益谱特性，找到了适合于2μm波段窄线宽大功率光纤激光器所需的Tm3+、Ho3+、Tb3+共掺石英基光纤的参数。在优化Tm3+、Ho3+、Tb3+和Al3+、Ga3+、Bi3+掺杂浓度并改进掺杂工艺的基础上，研制出用于制作2μm波段光纤激光器的高光敏性石英基Tm:Ho共掺光纤。研究了用于包层泵浦的双包层光纤的泵浦吸收效率与内包层形状的关系，找到了具有高吸收效率的内包层结构。经仿真分析和参数优化，研制出六角形和D型内包层的石英基双包层光纤。研究了泵浦光的高效率耦合机理和耦合工艺。理论分析了793nm激光泵浦下大功率掺铥光纤激光器的特性，获得了激光器输出功率与其结构参数之间、泵浦光功率、掺铥光纤参数之间的关系。采用KrF准分子激光相位掩膜法直接在掺铥光纤写入光纤光栅制成光学谐振腔，在功率为6.9W的793nm泵浦光作用下，获得功率为2.56W、中心波长为1946.4nm的激光输出。其斜率效率为38.4%，光光转换效率为36.2%。理论分析了1550nm激光泵浦下掺铥光纤激光器的特性，获得了激光器输出功率与其结构参数之间、泵浦光功率、掺铥光纤参数之间的关系。采用KrF准分子激光相位掩膜法直接在掺铥光纤写入光纤光栅制成光学谐振腔，在功率为100mW的1560nm泵浦光作用下，获得峰值功率为-6.7dBm，中心波长为1941.8nm的激光输出。在2小时的监测时间内，中心波长漂移小于0.1nm，功率波动小于0.5dBm。研究了基于光纤光栅的超窄带滤波器特性，建立了基于光纤光栅超窄带滤波器的掺铥光纤激光器实验系统。在功率为5.7W的793nm泵浦光作用下，获得功率为385mW、中心波长为1941.62nm的激光输出，其信噪比达60dB。在100分钟的扫描时间内，激光输出中心波长波动小于0.05nm，峰值功率波动小于0.03dB。由于相移光纤光栅的超窄带滤波特性，保证了激光器的单纵模运行。由此获得2μm波段MOPA结构石英基Tm:Ho共掺大功率窄线宽光纤激光器的高质量种子源。搭建了基于MOPA结构的2m波段Tm:Ho共掺光纤放大器，并将高质量的单纵模窄线宽种子源泵入到MOPA结构光纤放大器中，此套放大系统正在实验测试中。在项目研究过程中，发表SCI检索期刊论文22篇，EI检索期刊论文4篇.