短直腔单频光纤激光器关键技术及光纤光栅温度传感增敏特性的研究

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近年来,单频光纤激光器作为激光器领域的一个研究热点,发展迅速。因它具有相干性好、易于集成化、散热性好、光束质量好以及抗干扰能力强等特点,因而使其广泛地应用于激光测距、激光雷达、光纤水听器、激光医疗、干涉检测、光谱成像、引力波探测等领域。随着高掺杂、多组分玻璃光纤新型技术的飞速发展,光纤激光器领域实现单频输出腔型选择越来越偏向于短直线型腔,尤其是利用结构简单紧凑、全光纤、稳定性高、纵模间隔较大且不易跳模的分布布拉格反射式(Distributed Bragg R eflector-DBR)短直腔结构来实现光纤激光器单频输出的方法,逐渐受到了广大科研学者积极的关注和研究。本论文选用两个宽带、高反光纤光栅(HR-FBG)和1.4cm长度的高掺杂浓度Yb3+增益介质构建了DBR短直腔光纤激光器,成功实现了输出波长为1030nm的单频激光输出,并对其输出功率进行了放大的实验研究。同时,也对光纤光栅(Fiber Bragg Grating,FBG)局部点加热带通滤波特性以及温度传感增敏特性进行了实验研究。本文主要的研究内容及其成果如下:首先,简单介绍了传输矩阵理论,理论计算、分析了在FBG栅区不同位置引入不同相位突变对其反射谱的影响。在此基础上,基于传输矩阵理论,改变加热温度、加热位置和加热宽度等参数,理论分析了FBG局部点加热的输出光谱特性。另外,对掺杂Yb3+离子光纤的能级结构和光谱特性进行了介绍和分析。接着,提出了一种基于两个宽带、高反光纤光栅(HR-FBG)的短直腔DBR结构的单频光纤激光器。该短直腔DBR光纤激光器采用长度为1.4cm的以石英玻璃为基底、高掺杂浓度Yb3+增益光纤为工作介质。通过对该光纤激光器的两个HR-FBG进行精确地温控,使其反射峰边缘处相交叠,进而有效地压窄腔内增益带宽,成功实现了输出波长为1030nm的单纵模激光输出,并对其运转特性进行了全面的实验研究。固定输出端HR-FBG温度为12℃,输入端HR-FBG的温度在59.2℃~60.6℃范围时,该DB R短直腔光纤激光器始终呈现单纵模运转。同时,在该光纤激光器处于单纵模运转时,两个HR-FBG按照相同的温度步长同时进行温度调谐,实现了连续可调谐的单频激光输出。为实现该单频光纤激光器的高功率输出,分别对此单频激光输出分别进行了后向泵浦光放大方式的实验研究。采用这种功率放大方式条件下,当增益长度为8.5cm时,得到的放大输出功率为349.7m W,斜效率为69.8%。在此工作基础上,对宽带FBG在局部点加热情况下的输出光谱特性进行了实验研究,实现了单波长、双波长以及四波长滤波窗口,为实现双宽带HR-FBG组成的光纤激光器单频输出提供了一种可能方法。最后,分别以铜、铝、有机玻璃、聚四氟乙烯为实验衬底材料,对采用片式粘敷封装技术的FBG温度传感增敏特性进行了实验研究。当对两侧尾纤有涂覆层的FBG进行封装时,其温度灵敏系数分别是裸纤情况下的2.3倍、2.9倍、5.2倍、11.7倍。为了改进实验,对尾纤无涂覆层的FBG进行了封装测试。在测试温度范围内,其反射波长随温度的变化始终呈现良好的线性关系,其温度灵敏系数分别提高到了3倍、3.4倍、9.2倍、12.6倍,测量结果重复性良好。
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